Impianti di Trattamento Sanitario ed Ambientale

Impianti di trattamento di ingegneria sanitaria ambientale

L’ingegneria sanitaria ambientale si occupa di:

• Qualità dell’aria
• Qualità dell’acqua
• Gestione dei rifiuti
• Impatto degli odori
• Bonifica dei siti contaminati
• Impatto ambientale

Nell’ambito di questo corso non tratteremo tutti gli argomenti, ci occuperemo in particolare di aspetti legati alla qualità delle acque nere (di fogna). Le acque di scarto sono rifiuti liquidi e questi non possono essere immessi direttamente nell’ambiente se non previo un opportuno trattamento. Noi andremo a capire quali sono i parametri di caratterizzazione delle acque reflue e quali sono i trattamenti che possiamo fare per migliorarne la qualità prima della immissione nel corpo idrico ricettore, quindi vogliamo progettare gli impianti di trattamento delle acque.

Inoltre vedremo un’introduzione agli impianti che servono ad implementare un corretto ciclo integrato di rifiuti solidi.

Al Seed si studiano tutti gli aspetti dell’ingegneria sanitaria ambientale. Le attività di laboratorio vengono svolte anche attraverso l’utilizzo di strumentazioni quali ad esempio:

• ICP-OES 6000 (Thermo Electron Corporation)
• Olfattometro (T08 ECOMA)
• Polarografo (Metrhom)
• Molti altri

L’ingegnere non è chiamato a fare le analisi (fatte da chimici) ma deve sapere come si fa l’analisi, deve sapere quali parametri devono essere misurati e quali sono le incertezze della misura, altrimenti non può sapere come si progetta un processo per diminuire quel parametro.

Sviluppo sostenibile

Definiamo lo sviluppo sostenibile, esso può essere raggiunto a livello globale se a livello locale vengono applicate delle politiche di sviluppo sostenibile.

La prima definizione è “lo sviluppo sostenibile è uno sviluppo che garantisce i bisogni delle generazioni attuali senza compromettere la possibilità che le generazioni future riescano a soddisfare i propri”.

Ci sono però dei problemi dal punto di vista ingegneristico per verificare che un progetto è in linea con questo principio, perché se i bisogni delle generazioni attuali possono in qualche modo essere stimati (non misurati), risulta estremamente complesso e complicato (complesso non è la stessa cosa di complicato) stimare i bisogni delle generazioni future, perché se oggi con una certa approssimazione possiamo capire quali sono i bisogni della nostra generazione, non possiamo nemmeno immaginare quali sono i bisogni di generazioni che non ci sono ancora soprattutto in funzione di quali saranno i processi tecnologici e scientifici (vedi ad esempio connessione ad internet, una generazione fa non era necessario).

Al crescere della qualità di vita aumentano i nostri bisogni, dove per bisogni intendiamo quelle cose di cui abbiamo bisogno per vivere dignitosamente.

Un esempio è l’energia, oggi per noi è impossibile vivere senza energia, l’altra è l’acqua: i primi centri abitati venivano fatti vicino alle fonti idriche. L’acqua e l’energia sono risorse che derivano dall’ambiente, quindi capiamo come è importante l’ambiente per soddisfare i bisogni.

L’acqua che noi utilizziamo e di cui abbiamo bisogno la sporchiamo e per questo deve essere allontanata tramite le fognature per evitare epidemie (il primo impianto di ingegneria sanitaria è stato fatto dai romani, ossia la fognatura). L’acqua e l’energia sono beni indispensabili per il nostro pianeta e per le attività antropiche.

Una formulazione più recente di sviluppo sostenibile è “un miglioramento della qualità della vita, senza compromettere la capacità di carico degli ecosistemi di supporto, dai quali essa dipende”.

Ricordiamoci: parliamo di sviluppo sostenibile, la prima parola è sviluppo che significa migliorare e in particolar modo la qualità di vita del nostro pianeta. Quindi molte azioni anche ambientaliste si dimenticano che la prima parola è sviluppo; se ci neghiamo dei bisogni possiamo vivere in modo molto più sostenibile ma con un livello qualità di vita molto più basso.

Lo scopo dello sviluppo sostenibile è migliorare la qualità della vita, devo fare attenzione dunque a non compromettere i bisogni delle generazioni future, ossia i bisogni che serviranno per gestire qualsiasi attività futura.

Capacità di carico dell’ambiente

Per capire bene questo dobbiamo parlare della capacità di carico dell’ambiente. La natura è straordinaria perché ha delle capacità autodepurative, noi possiamo “caricarla” con qualche elemento e lei si autodepura, quindi i nostri sistemi ambientali riescono ad autodepurarsi da soli senza fare attività straordinarie, ma questo avviene fino a quando non eccediamo la capacità della natura di autodepurarsi.

Se noi mettiamo nell’ambiente molto di più di quello che la natura può trattare da sola (per intenderci), capiamo bene che poi si diffonde l’inquinamento. Per capire quindi la sostenibilità ambientale (sviluppo sostenibile) dobbiamo innanzitutto capire se c’è miglioramento della vita e poi capire se è sostenibile; per capire se è sostenibile noi andiamo a vedere il contrario, se è insostenibile.

Vediamo che se riduciamo il carico il nostro sistema ritorna alle condizioni ottimali di funzionamento, ciò vuol dire che gran parte delle risorse ambientali sono rinnovabili (se superiamo la capacità di carico la risorsa non è persa ma si rigenera una volta ridotto il carico). Se io levo la pressione ambientale il mio sistema, in un tempo definito, grazie anche alla sua capacità di autorigenerarsi, ritorna alle condizioni iniziali di funzionamento; questo tipo di risorse sono dette rinnovabili, però purtroppo non tutte le risorse sono rinnovabili.

Un esempio di risorsa rinnovabile è l’acqua e in questo percorso capiremo come migliorarne la qualità, con trattamenti antropici o naturali. L’acqua di per sé tende a migliorare la propria qualità, l’acqua e il suolo se contaminati in un tempo adeguato si rinnovano; quindi l’acqua è una risorsa indispensabile e rinnovabile.

Però spesso noi la sporchiamo più di quanto lei è in grado di depurarsi, ma se noi rimuoviamo queste pressioni dall’acqua velocemente noi consentiamo all’acqua di rigenerarsi. Quali sono queste pressioni?

Pressioni e impatti

Sono in primis gli scarichi che convogliamo nelle fognature, che hanno una qualità pessima. Capiamo facilmente che si può superare la capacità di carico del corpo idrico ricettore, dunque noi dobbiamo cercare di ridurre il carico che arriva al fiume (ad esempio) facendo un impianto di trattamento di acque reflue.

Se l’impianto funziona al fiume arriva soltanto quel carico che è compatibile con la capacità di carico del fiume, non è che scarico acqua perfettamente depurata perché non ci serve a niente in quanto nel fiume già ci sono batteri ed altro (siamo immersi nei batteri), i batteri sono importantissimi perché servono per gli equilibri degli ecosistemi.

Un’altra pressione importante che l’uomo ha soprattutto nelle città sono le emissioni in atmosfera. In maniera analoga esistono degli impianti di trattamento delle emissioni gassose, anche in atmosfera abbiamo una capacità di carico e questa non deve essere superata, capiamo che le strategie ambientali a scala urbana sono fondamentali (smart cities).

Quindi cerchiamo di razionalizzare quello che abbiamo detto: abbiamo le attività antropiche, queste sono divisibili in tante azioni, quando l’azione interagisce con l’ambiente quell’azione si chiama pressione sull’ambiente.

Abbiamo fatto due esempi di pressione: uno è l’emissione in atmosfera, un altro è lo scarico nel corpo idrico. Molto spesso si confonde la pressione con l’impatto ambientale, sono due cose diverse.

La pressione è l’emissione o lo scarico, cioè la quantità e la qualità di quello che sto immettendo nell’ambiente, l’impatto invece è l’alterazione della qualità ambientale dovuta a tutte le pressioni.

Ad esempio se io scarico in un lago una certa quantità di refluo, quello che io scarico è la pressione. Se scarichiamo in un lago enorme con un flusso d’acqua molto elevato probabilmente quella pressione non comporta nessuna alterazione di qualità dell’acqua; se lo stesso scarico e quindi la stessa pressione avviene in un lago molto piccolo con flussi d’acqua molto limitati probabilmente quella stessa pressione può incidere in maniera negativa e significativa sulla qualità del corpo idrico.

Quindi l’impatto è l’effetto della pressione, io posso avere tante emissioni ma non vuol dire che sto inquinando, un’impresa inquina se supera il limite di emissione stabilito dalla legge. Io potrei avere tante imprese che non superano i limiti di pressioni che quindi di per sé non stanno inquinando, ma questo non vuol dire che la qualità dell’ambiente sia al sicuro.

È difficile dire di chi è la colpa, quindi a livello amministrativo ora abbiamo degli strumenti che prima di fare la zona industriale dobbiamo capire qual è il massimo carico che posso emettere in questa zona in cui voglio fare la zona industriale, quindi bisogna valutare l’impatto sull’ambiente prima di pianificare e progettare e questo vale per tutte le opere di ingegneria civile (Protocollo di Kyoto e poi di Parigi).

Se pensiamo agli impatti negativi (perché possono essere anche positivi, vogliamo massimizzare i positivi e cercare di rendere trascurabili quelli negativi) allora possiamo dire che:

Relazione tecnologica e impatti ambientali

I = P × B × T → impatti negativi sull’ambiente

• I: Impatti negativi sull’ambiente
• P: Popolazione
• B: Benessere
• T: Tecnologia → sviluppo sostenibile → [0;1[

Se pesiamo con I gli impatti negativi sull’ambiente, possiamo intuire facilmente che se aumenta la popolazione gli impatti aumentano perché ci sono più fabbisogni da soddisfare, inoltre se aumenta il livello di benessere (qualità di vita) della popolazione mondiale aumenta il fabbisogno (diminuisce la natalità, cioè facciamo meno figli e più avanti negli anni) e quindi aumentano gli impatti negativi (superamento della capacità di carico).

Allora non c’è soluzione allo sviluppo sostenibile? La soluzione è la tecnologia, perché con lo sviluppo tecnologico noi riusciamo a soddisfare più fabbisogno utilizzando meno risorse.

Ad esempio oggi abbiamo le lampade a LED: queste a parità di lumen (intensità di luce) consumano molti meno watt, abbiamo motori molto più performanti, con 1 litro di carburante facciamo molti più km rispetto alle auto di una volta; quindi con la tecnologia riusciamo a ridurre le pressioni ambientali oppure a soddisfare più persone a parità di impatto, oppure aumentare il livello di benessere senza aumentare il livello di impatto.

L’ultimo aspetto è quello empatico: come i nostri, l’età in cui le persone esercitano le maggiori pressioni sull’ambiente è proprio quest’età. Perché vediamo questa foto? Nei paesi sviluppati, quando siamo in fasce, i pannolini vengono smaltiti nell’indifferenziato ma nel pannolino ci sta sostanza organica e la sostanza organica nell’indifferenziato crea non pochi impatti.

Impatti significativi sono esercitati anche da latte sintetico o dai prodotti per la pelle; questa pressione non è presente nei paesi non sviluppati (low income countries) ma in questi paesi c’è una forte mortalità infantile.

In questi primi anni di vita il bambino deve essere molto riguardato ma per fare questo c’è bisogno di tanta energia e quindi di risorse ambientali. Nei paesi meno sviluppati la mortalità infantile è ancora un grosso problema, inoltre la principale causa di morte infantile, ma in generale una delle principali cause di mortalità, è la diarrea.

Nel mondo migliaia di persone muoiono di dissenteria e questa patologia viene contratta bevendo acqua contaminata (da batteri fecali, prendono l’acqua sporca non depurata e la bevono e poi non si curano), la mortalità infantile così come l’età media è un indicatore della qualità di vita in un paese.

Industria ambientale

Ormai gli aspetti ambientali sono aspetti da considerarsi come una vera e propria industria ambientale, ci sono delle persone che fanno business e speculano sull’ambiente, alcuni nel bene alcuni nel male. Quelli che speculano nel bene cioè vedono l’ambiente come un’opportunità per fare soldi, quelli che speculano nel male sono quelli che non rispettano le leggi ambientali risparmiando su alcuni costi (come la gestione e smaltimento dei rifiuti).

Alcuni studi dimostrano che la percentuale ambientale sul totale fatturato è in aumento, gran parte delle multinazionali risparmiano andando a mettere gli impianti laddove non ci sono leggi restrittive sull’ambiente, perché il costo principale è trattare l’acqua o i fumi. Può essere redditizio produrre senza rispettare l’ambiente perché il costo maggiore è il rispetto delle leggi ambientali, questo fatturato sarà ancora in crescita.

Parametri di caratterizzazione qualitativa delle acque

Vogliamo vedere quelli che sono i parametri di caratterizzazione qualitativa delle acqua. Le acque, sia di rifiuto come le acque reflue industriali, ma anche le acque derivanti dal ciclo naturale in particolar modo le acque superficiali piuttosto che le acque di falda, hanno la necessità di essere caratterizzate, sia da un punto di vista quantitativo che da un punto di vista qualitativo.

Infatti prima di gestire la risorsa idrica abbiamo la necessità di capire con che portate abbiamo a che fare ma anche con che tipologia di inquinanti, quindi di capire quali sono le caratteristiche delle acque che dobbiamo trattare. Ciò influenza sia la scelta della metodologia e quindi del tipo di trattamento sia il dimensionamento degli impianti di trattamento a cui queste sono destinate ma soprattutto per valutare gli standard di qualità delle acque e quindi la compatibilità con i parametri imposti dalla normativa del settore.

Quindi sostanzialmente dobbiamo individuare dei parametri che ci consentono di caratterizzarle a 360°, in particolare questi parametri possono essere di varia natura; innanzitutto possiamo avere a che fare con parametri aspecifici che possono essere utilizzati per caratterizzare qualsiasi tipo di acqua, ad esempio la salinità e la temperatura, sono dei parametri che vengono detti aspecifici in quanto possono essere utilizzati per caratterizzare qualsiasi tipo di acqua con cui ci troviamo a che fare.

Altri parametri invece vengono detti specifici, vengono detti specifici perché sono strettamente correlati al tipo di acque che stiamo andando a caratterizzare come ad esempio la domanda biochimica di ossigeno (BOD). Per quanto riguarda le acque reflue civili un parametro molto importante è quello che misura la domanda biochimica di ossigeno, questo parametro che vedremo dopo, serve per determinare in via indiretta il contenuto di sostanza organica e quindi viene essenzialmente impiegato per la caratterizzazione di matrici acquose a prevalente contaminazione di natura organica, quindi il BOD è un parametro specifico perché non viene impiegato per la caratterizzazione della totalità delle acque.

In generale per quanto riguarda i parametri di qualità delle acque noi possiamo distinguere i parametri in:

• Parametri fisici
• Parametri biologici
• Parametri chimici

La principale classificazione dei parametri necessaria per la caratterizzazione qualitativa delle acque prevede la distinzione in parametri fisici, chimici e biologici. Ad esempio i solidi rappresentano un parametro fisico della caratterizzazione delle acque, in particolare ci soffermeremo oltre che sui solidi anche sulla determinazione di:

• Sostanza organica
• Nutrienti: rappresentano un parametro di criticità soprattutto per le acque naturali
• Concentrazione di metalli: sono una risorsa perché vedremo che alcuni tipi sono necessari per la sopravvivenza di alcune specie, dai virus batteri fino all’uomo, ma un’elevata concentrazione può rappresentare una tossicità
• Batteri → parametro biologico → sono dei microrganismi naturalmente presenti nelle acque ma anche qui un eccesso degli stessi può portare ad un inquinamento, soprattutto se pensiamo a dei batteri che possono essere patogeni (inducono malattie nell’uomo) quindi una particolare attenzione viene posta sulla determinazione della concentrazione dei batteri.

I solidi

Partiamo da come si definiscono i solidi e perché si definiscono. Come abbiamo detto questi solidi appartengono a dei parametri di tipo fisico, insieme alla determinazione dei solidi esistono altri parametri fisici per caratterizzare le acque.

Ad esempio per le acque destinate al consumo umano un aspetto fondamentale è la temperatura perché essa è indicativa della qualità delle acque, la temperatura è influenzata dalla fonte di inquinamento ma anche la temperatura può favorire eventuali cinetiche che promuovono ancora di più lo sviluppo del fenomeno di inquinamento.

Altri parametri fisici per la caratterizzazione delle acque destinate al consumo umano sono il colore e l’odore, il sapore, che costituiscono le proprietà organolettiche.

Proprietà organolettiche => Se vediamo un’acqua torbida o calda difficilmente la beviamo, quindi c’è un limite al consumo anche se poi quest’acqua rispetta tutti i parametri di qualità, le caratteristiche organolettiche sono fondamentali per il consumo umano. Insieme a queste caratterist