Não tenho certeza se entendi o problema aqui. Eu tenho um ambiente de laboratório onde meu AD FS 2.0 é usado para muitas partes confiáveis, incluindo o servidor do O365 e do SP2010.
Você está perguntando se é possível usar a infraestrutura do ADFS existente usada para o O365 com a implementação local do SharePoint 2010? Sim isso é possível. Você terminará com dois trusts confiáveis (um para o O365 e outro para o SP2010).
Editar 28/12: Eu suponho que você saiba como configurar o SP2010 para autenticação federada. Consulte link como deveria ajudar.