La sostenibilità energetica dei processi di filtrazione delle acque per uso agricolo

DOI 10.12910/EAI2025-036

di Daniele Pizzichini, Claudio Russo, Gian Paolo Leone- Dipartimento Sostenibilità Circolarità e Adattamento al Cambiamento Climatico dei Sistemi Produttivi Territoriali – Divisione dei Sistemi Agroalimentari Sostenibili - Laboratorio Bioeconomia Circolare Rigenerativa – ENEA, Federica Colucci - Dipartimento Sostenibilità  Circolarità e Adattamento al Cambiamento Climatico dei Sistemi Produttivi Territoriali – Divisione dei Sistemi Agroalimentari Sostenibili – Laboratorio Innovazione delle Filiere Agroalimentari – ENEA

In Italia il consumo idrico imputabile al settore agricolo è prossimo al 40% dell’acqua prelevata (39 miliardi di m³/anno)^[1] proveniente da risorse idriche convenzionali come acquedotti e consorzi di irrigazione e bonifica (63%), acque sotterranee prossime al punto di utilizzo (17,9%), acque superficiali esterne come laghi e fiumi (11%) ed interne (4,7%). Gli effetti dei cambiamenti climatici, come la riduzione delle disponibilità, aumento del fabbisogno, risalita del cuneo salino, impongono un cambio di paradigma generale per mitigare lo stato di stress idrico già marcato (Fig. 1), attraverso il ricorso a fonti idriche non convenzionali, come acque reflue o desalinizzate [2] sicure, per la salute e l’ambiente.

Se in Italia il principio di riuso delle acque è stato introdotto con il D.Lgs 152/1999 e recepito in modo esclusivo col DM n. 185/2003, è solo con il Reg. (UE) 2020/741 che la normativa è stata armonizzata, definendo le prescrizioni minime utili a definire la qualità dell’acqua, correlando i rispettivi ambiti di utilizzo irriguo, individuando le frequenze minime di controllo ed introducendo strumenti come il Piano di Gestione dei Rischi. Il regolamento è stato attuato in Italia con il DL 39/2023 introducendo però una maggiore restrizione per elementi fertilizzanti ad impatto ambientale (azoto, fosforo) o agenti batterici pericolosi per la salute (Salmonella spp.) (Tab. 1) e semplificando l’iter autorizzativo per i dissalatori con capacità inferiore a 200 L/s.

Tabella 1 - Classi di qualità e prescrizione di qualità delle acque affinate a fini irrigui in agricoltura

Fonte: Allegato A all'art. 7 del D.L. 39/2023

Trattamenti delle acque per l’agricoltura

Le tecnologie di trattamento di acque destinate all’ uso agricolo possono essere classificate in estensive e intensive. Le prime includono fitodepurazione, utilizzo di invasi e recupero delle acque reflue in bacini di accumulo e si caratterizzano per il basso impatto energetico e per l’efficacia di abbattimento del carico organico ma richiedono tempi di contatto prolungati e superfici estese. I trattamenti intensivi includono processi di disinfezione (clorazione, irraggiamento UV) e di filtrazione volti alla riduzione del contenuto in solidi sospesi ed eventualmente di composti organici e inorganici. Questi trattamenti comprendono anche la filtrazione di profondità (filtri a sabbia, a carbone) e i processi a membrana, tra cui micro e ultrafiltrazione, nanofiltrazione e l’osmosi inversa, queste ultime impiegate nel caso di acque salmastre/saline o abbattimento di contaminanti metallici o pesticidi[4]. In particolare i sistemi a membrana assicurano una qualità idrica elevata in linea con gli standard normativi più stringenti ma richiedono maggiori consumi energetici, soprattutto quelli per nanofiltrazione ed osmosi inversa che incidono fino all’80% sui costi di trattamento.

Microfiltrazione (MF) / Ultrafiltrazione (UF) - I processi di MF e UF vengono applicati per rimuovere solidi sospesi e carica microbiologica delle acque, necessitano di pressioni tra 1-3 bar e comportano consumi tra 0,1–0,3 kWh/m³ (maggiori per la UF) con possibilità di riduzione a 0,05 kWh/m³ nel caso di MF applicata ad acque già parzialmente chiarificate come quelle in uscita dai depuratori biologici o a 0,2 kWh/m³ nel caso di impianti UF su acque già trattate.

Un caso particolare è dato dai bioreattori a membrana (MBR) che si rivolgono al trattamento dei fanghi biologici con consumi totali per l’aerazione e filtrazione più alti (0,5 – 1 kWh/m³).

Nanofiltrazione (NF) / Osmosi Inversa (OI) - I processi di NF e OI rimuovono composti organici o metallici, nutrienti e ioni. In ambito agricolo, intervengono in aree affette da ipersalinità delle risorse idriche come nel caso di acque salmastre, zone dove si ha l’incursione del cuneo salino o quando è possibile dissalare l’acqua di mare per usi irrigui (es. Spagna, Cipro, Malta, Medio Oriente) (Fig. 2). La NF viene usata per addolcire acque dure o salmastre e, nel contesto agricolo, trova impiego nel trattare acque di pozzo con nitrati o durezza elevata. L'OI è utilizzata a valle di pretrattamenti (filtrazione sabbia, MF/UF).

La NF opera a pressioni intermedie (tipicamente 5–15 bar, in base alla salinità) con consumi energetici che dipendono dal contenuto salino dell’alimentazione, in particolare ascrivibile ai sali bivalenti: in acque con salinità ridotta (TDS^[2], 500–1000 mg/L), i consumi sono mediamente tra 0,3–0,5 kWh/m³, nel caso di acque salmastre (TDS, 2000–5000 mg/L) il fabbisogno energetico è prossimo a 1 kWh/m³ con valori sino a 2 kWh/m³ per salinità maggiore (TDS > 10.000 mg/L). L’OI richiede pressioni di esercizio elevate (fino a 50–70 bar) con consumi dipendenti dal livello di salinità dell’acqua trattata: per acque dolci o leggermente salmastre (TDS < 2.000 mg/L) i consumi sono mediamente pari a 0,3–0,6 kWh/m³, nel caso di acque salmastre (TDS 2.000–10.000 mg/L) sono pari a 1 – 2 kWh/m³, per acqua di mare (TDS, ~35.000 mg/L) si arriva sino a 3 – 5 kWh/m³. Consumi ridotti sono associati ai sistemi dotati di recupero energetico.

Costi di trattamento delle acque per l’agricoltura 

Al netto del costo unitario dell’energia di ciascun paese i costi operativi di trattamento di acqua affinata per usi irrigui dipendono dalle prescrizioni, più o meno stringenti, delle normative nazionali: in generale essi sono stimati tra 0,06 - 0,09 €/m³ nel caso di ricorso a filtrazione profonda e disinfezione, tra 0,14 - 0,20 €/m³ nel caso di trattamento con membrane seguito da disinfezione, fino a 0,39€/m³ in caso di UF, OI e disinfezione.

Vantaggi possono derivare da fattori di scala (Fig. 3) e dall'integrazione di fonti di energia rinnovabile come il fotovoltaico che in contesti produttivi reali ha consentito una compensazione della domanda di energia tra il 20 e il 50%[6]. In tale direzione vanno citate anche applicazioni legate allo sfruttamento di energia derivante da impianti agrivoltaici: un caso di studio è quello seguito da ENEA che, nell’ambito del programma di ricerca sul "Fotovoltaico ad alta Efficienza”, ha sviluppato un dissalatore di “prossimità” alimentato da impianto agrivoltaico.

Prospettive tecnologiche

Lo sviluppo di nuovi materiali rappresenta un driver importante di riduzione del consumo energetico: membrane a base di grafene o le loro varianti ibride permettono una significativa riduzione della resistenza idraulica e dunque del consumo fino al 30-50%; rivestimenti antimicrobici (nanoparticelle d'argento, biossido di titanio) possono agire sulla maggiore durata del ciclo di lavorazione, riducendo il costo dei prodotti chimici per la pulizia. L’integrazione di osmosi inversa e distillazione a membrana porta a stime di riduzione del 20%[6]. Di particolare interesse la possibilità di sfruttare la concentrazione delle salamoie attraverso il recupero di energia derivate dal gradiente di salinità (SGE)[7;8].

Conclusioni

Operare su alimentazioni “dolci”, come le acque in uscita dai depuratori, o su acque salmastre/salate ricorrendo alle rinnovabili rende le tecnologie di filtrazione uno strumento valido per una agricoltura sostenibile, favorendo l’elevata qualità finale delle acque, il ricorso a fonti non convenzionali e la riduzione dello stress idrico nazionale.

1.  Andrea Barbabella, Virginia Ferruccio, and Chiara Montanini (2023). Troppa o troppo poca: l’acqua in Italia in un clima che cambia.

2.  Ministero dell’Ambiente e della Tutela del Territorio e del Mare (MATTM) (2014). Strategia Nazionale di Adattamento ai Cambiamenti Climatici (SNAC) (Ministero dell’Ambiente e della Tutela del Territorio e del Mare (MATTM)).

3.  European Court of Auditors. (2021). Sustainable water use in agriculture: CAP funds more likely to promote greater rather than more efficient water use. Special report No 20, 2021. (Publications Office).

4.  Pearce, G.K. (2008). UF/MF pre-treatment to RO in seawater and wastewater reuse applications: a comparison of energy costs. Desalination 222, 66–73. https://doi.org/10.1016/j.desal.2007.05.029.

5.  Melgarejo, J., Prats, D., Molina, A., and Trapote, A. (2016). A case study of urban wastewater reclamation in Spain: comparison of water quality produced by using alternative processes and related costs. Journal of Water Reuse and Desalination 6, 72–81. https://doi.org/10.2166/wrd.2015.147.

6.  Skoczko, I. (2025). Energy Efficiency Analysis of Water Treatment Plants: Current Status and Future Trends. Energies 18. https://doi.org/10.3390/en18051086.

7.  Rao, A.K., Li, O.R., Wrede, L., Coan, S.M., Elias, G., Cordoba, S., Roggenberg, M., Castillo, L., and Warsinger, D.M. (2021). A framework for blue energy enabled energy storage in reverse osmosis processes. Desalination 511, 115088. https://doi.org/10.1016/j.desal.2021.115088.

8.  Manikandan, D., Karishma, S., Kumar, M., and Nayak, P.K. (2024). Salinity gradient induced blue energy generation using two-dimensional membranes. npj 2D Materials and Applications 8, 47. https://doi.org/10.1038/s41699-024-00486-5.

   (*) Daniele Pizzichini, Claudio Russo, Gian Paolo Leone- Dipartimento Sostenibilità Circolarità e Adattamento al Cambiamento Climatico dei Sistemi Produttivi Territoriali – Divisione dei Sistemi Agroalimentari Sostenibili - Laboratorio Bioeconomia Circolare Rigenerativa – ENEA, Federica Colucci - Dipartimento Sostenibilità  Circolarità e Adattamento al Cambiamento Climatico dei Sistemi Produttivi Territoriali – Divisione dei Sistemi Agroalimentari Sostenibili – Laboratorio Innovazione delle Filiere Agroalimentari – ENEA

[1] TDS - Total Dissolved Solids totale dei solidi disciolti in acqua

[2] Accordo di Programma tra MASE ed ENEA per la Ricerca di Sistema Elettrico 2022–2024

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