Ingegneria Sanitaria appunti teoria

Ingegneria sanitaria

Prof.ssa Paola Foladori

Laurea Triennale in Ingegneria per l’ambiente e il territorio

Università di Trento

Anno 2020-2021

1. Introduzione all’ingegneria sanitaria

Punti chiave

• Di cosa si occupa l’ingegneria sanitaria?
• Come nasce e come si è evoluta?

L'ingegneria sanitaria ambientale nasce in Italia nel secolo scorso, ma i primi testi risalgono al 1899 e riguardavano principalmente le fognature, una delle priorità delle grandi città. Per arrivare all’ingegneria sanitaria più simile a quella che è ora, con obiettivi la salubrità dell’uomo, degli ecosistemi, l’igiene e la tutela dall’inquinamento, bisogna aspettare gli anni ‘30. In quegli anni nasceva l’esigenza della collettività nello sviluppo di soluzioni tecnologiche connesse all’igiene pubblica.

Il nostro stile di vita, il modo in cui viviamo ci fa dimenticare l’importanza dell’igiene, ma non sempre conosciamo i dettagli del trattamento di quello che usiamo, come l’acqua o i rifiuti. Questo è il ruolo dell’ingegneria sanitaria: capire questa filiera e progettare gli impianti tecnologici, che ci permettono di intercettare inquinanti e microorganismi che potrebbero diffondersi mettendo in crisi la comunità.

Ad esempio gli uomini scaricano un numero di patogeni elevati che si possono trasmettere tramite le feci. Incontriamo questi agenti patogeni quando usiamo acque non potabilizzate, non un problema nella nostra società, perché la nostra acqua è sempre trattata, potabilizzata, e depurata.

A questo scopo sono stati inventati gli impianti di depurazione, che rimuovono inquinanti e microrganismi patogeni evitandone che si diffondano nell’ambiente.

Gli aspetti legati alla salute dell’uomo non si limitano al controllo e rimozione dei patogeni, ma anche la rimozione degli inquinanti e microinquinanti: sostanze scaricate dall’uomo e molto piccole, che hanno un grande impatto sull’uomo e sui ecosistemi. Spesso non sono biodegradabili, impattando fortemente sull’ecosistema. → Non biodegradabili possono percorrere grandi distanze, si conservano nell’ambiente.

Spunti di approfondimento

Esempi di sostanze inquinanti non biodegradabili:

• Mercurio. Si genera dall’attività antropica ed entra nelle matrici ambientali, passando dall’acqua agli organismi, pesci, e poi all’uomo attraverso la catena alimentare. Il mercurio è una sostanza particolarmente pericolosa per gli organismi e può generare diversi disturbi.
• POP, Persistent Organic Pollutants. Inquinanti Organici Persistenti, non biodegradabili, gruppo di composti molto resistenti alla decomposizione e dannosi per la salute dell’uomo e dell’ecosistema. I POP sono molti, 12 sono i prioritari. Messi al bando a inizio 2000 tranne il DDT che ha aspettato. Il DDT un pesticida ancora usato in paesi in via di sviluppo, essendo una molecola di litio efficace contro determinati insetti. Questo tipo di composti può rimanere nell’ambiente molto a lungo e percorrere così larghe distanze che può arrivare negli orsi polari. La sua mobilità e il fatto di rimanere inalterato durante il percorso fa si che può raggiungere zone molto lontane dall’area di utilizzo. Il DDT si attacca al particolato atmosferico e può viaggiare come gas nell’aria. Col calore subisce la volatilizzazione e passa nel particolato atmosferico come gas. Arrivando in una zona fredda la volatilizzazione, che dipende dalla temperatura, si riduce, e i composti non restano più nell’aria e si depositano nel ghiaccio ed entrano nella catena alimentare. Questi composti si accumulano poi nei tessuti degli organismi. Vediamo i livelli di PCB negli organismi, un altro dei composti, PoliCloroBifenile, POP, prodotto dalle industrie che arrivano nelle zone fredde.

La lista dei POPs è sempre in aggiornamento. Di recente sono entrati i PIFOS, ovvero i gruppi riconducibili ai composti perfluorinated compounds, utilizzati in molte applicazioni dell’uomo, per esempio nei tessuti come il teflon, tessuto molto performante ma che contengono dei POPPPE, servono per ritardare una fiamma, e si trovano nel linoleum, nella formica per i mobili. Materiali molto usati.

Evoluzione dell’ingegneria sanitaria

Cenni storici

Le pratiche che garantivano un’igiene e una gestione il più possibile accorta dei rifiuti sono state perseguite già dalle civiltà antiche, come quelle della mesopotamia. Anche se avevano sviluppate notevoli opere di canalizzazione, non erano ancora noti i principi dell’igiene. Il primo caso di cenno di opere di ingegneria sanitaria rudimentali si hanno in epoca romana. A Roma erano presenti acquedotti e la cloaca maxima.

I servizi igienici romani sono portati spesso ad esempio come opera di igiene pubblica, l’igiene pubblica era una dei principali impegni dello stato. Costruita sui colli per difesa e per allontanarsi dalle zone paludose. Roma era una città enorme ‘per l’epoca e particolarmente affollata e in caso di epidemie risultava una situazione critica. L’igiene era concepita come una prevenzione sanitaria.

Tra le varie realizzazioni di epoca romano ricordiamo i bagni pubblici: dei veri e propri servizi igienici che comprendevano latrine pubbliche con un sistema fognario sotto le sedute e sotto la pavimentazione, tenendo le deiezioni lontane dalla città. Queste tecniche igienico sanitarie si diffusero poi in tutte l’impero, associati alla cloaca che scorreva nelle vicinanze.

In questi luoghi pubblici ci si poteva anche lavare le mani con acqua corrente ed era un vero e proprio luogo pubblico intrattenendosi con discorsi politici o di attualità. Da questo l’idea di una conquista dell’igiene. Uno spazio aperto salubre.

Tuttavia andando avanti negli studi si è visto che in realtà la città di Roma non era esente da diffusione di parassiti e patogeni, nonostante queste soluzioni. Questo perché non tutta la popolazione poteva usufruire dei servizi pubblici e le malattie erano presenti: i problemi di malattie e patogeni aumentò con la diffusione delle città.

Con la caduta dell’impero romano le pratiche decaddero e nel medioevo vennero completamente abbandonate. La gente aveva molta poca cura dell’igiene personale. Per riavere un aumento dell’igiene bisogna aspettare la rivoluzione industriale.

Sviluppo moderno

Compare nelle università a fine anni 60, disciplina molto interdisciplinare, non è una disciplina primaria come la chimica, biologia, matematica, che hanno principi teorici ben sviluppati nei secoli. Disciplina molto applicativa e giovane, decenni di esperienza, massimo 50 anni di sviluppo. Descriviamo fenomeni ben conosciuti ma di cui non conosciamo tutti i meccanismi coinvolti. È in continuo sviluppo, normative impiantistiche, etc.

Ci servono solidi principi, ma la materia non è esauriente perché in continuo sviluppo. Ci sono tecnologie che sembravano promettenti e che sono scomparse perché sorpassate.

Così come ci sono processi che vengono applicati nell'ingegneria sanitaria che vengono applicati in modo empirico perché non ne se ne conoscono i processi esatti, la teoria, ovvero che non sono completamente conosciuti. Questo succede perché l’ingegneria sanitaria è in continua evoluzione e le osservazioni sono più veloci della spiegazione dei fenomeni.

Aneddoto. Nel 2000 ai lettori del british medical journal venne chiesto di votare il migliore successo della ricerca medica negli ultimi 2 secoli. I risultati furono:

1. Sviluppo igienico-sanitario
2. Antibiotici
3. Anestesia

Se ci pensiamo è meglio prevenire che curare. È lo sviluppo delle tecnologie che permettono di prevenire, per trattare i reflui, per smaltirli, uguale per i rifiuti. Allontanare, separare i materiali contenti patogeni dalle aree abitate dall’uomo.

Spunti di approfondimento: il processo anammox

Esiste una molecola che è il NO, monossido di azoto, che è una molecola molto versatile ed ha un ruolo importante nei cicli degli esseri viventi con molte funzioni, ma è anche uno dei principali inquinanti. Viene processo dalla combustione industriale e dai trasporti ed è un precursore del N2O, protossido di azoto, un importante gas serra con un potere molto forte rispetto alla CO2. Se nei processi biologici che coinvolgono l’azoto noi produciamo NO e poi N2O, di fatto i processi biologici emettono un potente gas serra. Anche piccoli quantitativi possono pesare. Il composto si forma spontaneamente nei processi.

Il composto NO si pensava fosse presente in atmosfera già prima della formazione dell’ossigeno, e quindi deve avere avuto importante ruolo nel sviluppo dell’evoluzione della terra. È stato scoperto recentemente il processo anammox che ha tra i vari vantaggi di utilizzare NO. Si parte da ammoniaca NO2 e attraverso la combinazione di 2 composti formano N2. Processo molto nuovo e vantaggioso a basso consumo energetico, ma non è del tutto noto. È un processo che esiste in natura ma che non è del tutto conosciuto.

Sviluppi futuri

Millenium development goals

• Clean working water: siamo arrivati a incrementare l’accesso all'acqua potabile a 2.3 miliardi di persone. Tuttavia resta un importante porzione della popolazione di 780 milioni di persone che non hanno accesso ad una fonte d’acqua adeguata per garantire utilizzo domestico e di igiene.
• Sanitation: smaltimento acque reflue. Le persone che non dispongono sono 2.5 miliardi, che non hanno accesso a servizi igienici adeguati, toilet, latrine, pozzi. La pratica più diffusa in questi casi è la open defecation. Le zone interessate sono l’Africa subsahariana, 30%, Asia meridionale e India, 30%, e Asia orientale, 40%. L’open defecation porta a forte discriminazioni, soprattutto per le ragazze che non possono frequentare la scuola e per il problema di malattie e decessi. L’open defecation si ha una diffusione di feci e patogeni elevata, soprattutto con la pioggia. 800K bambini ogni anno muoiono per diarrea. I decessi sono riconducibili all’acqua potabile non sicura, a una carenza di acqua per l’igiene, e la mancanza di accesso ai servizi igienico sanitari. Molto frequenti sono parassiti gastrointestinali.

Millenium sustainable development goals

Entro il 2030 tra i vari obiettivi c’è quello della clean water and sanitation. Si vuole ottenere un accesso universale ed equo all’acqua potabile. Acqua sicura ed economica cioè accessibile. Se le tecnologie che sviluppiamo sono troppo costose c’è una parte della popolazione che non può permettersela. E questo è la chiave di lettura del ‘sustainable’. Aspetto molto importante nell’ingegneria: tecnologie performanti ma anche fattibili, ovvero economicamente sostenibile.

Parte dell’obiettivo è anche porre fine alla pratica dell’open defecation, per proteggere popolazioni vulnerabili a causa di questa pratica.

Migliorare le acque da inquinanti, ridurre impatti degli scarichi che in molti casi vengono scaricate senza depurazione.

Incentivare il riutilizzo delle acque.

In conclusione

Settori che competono all’ingegnere sanitario:

• Utilizzazione delle risorse idriche
• Progettaz e gestisce impianti di potabilizzazione

Dopo che l’acqua viene contaminata per usi domestici e industriali:

• Depurazione delle acque per restituirla all’ambiente nel modo meno impattante possibile

Ma anche:

• Eutrofizzazione dei laghi o dei mari, fenomeno che prevede un eccessivo accrescimento degli organismi vegetali per un eccesso di nutrienti che causa un deterioramento delle acque che poi hanno carenze di ossigeno
• Autodepurazione dei fiumi
• Smaltimento rifiuti
• Bonifica suoli contaminati

2. Fondamenti

Punti chiave

• Importanza dei dati e del campionamento
• Strumenti di misura e le loro caratteristiche
• Tipologie di concentrazioni

Analisi dei dati

Per svolgere un’analisi ambientale è necessario avere dei dati, ottenuti tramite campionamento ed analisi.

Campionamento: non sempre intuitivo e facile, acqua facile, più complicato un suolo. Bisogna prelevare campioni in modo rappresentativo, nel punto adeguato e con le modalità adeguate in base all’analisi che si vuole fare. Bisogna fare attenzione anche a non contaminare il campione.

Analisi: analisi in campo o in laboratorio. Sempre più diffusi i dispositivi per l'analisi in campo. In seguito all’analisi si acquisisce il dato.

Misure ed errori

Per quantificare un parametro dobbiamo effettuare una misura e acquisire un dato. Se usiamo uno strumento dobbiamo considerare che ripetendo più volte la stessa misura non otterremo sempre lo stesso valore. I dati cadranno in un range, ripetendo alla misura trovo dati diversi, che si avvicinano al dato reale che non conosco, e che presentano una variazione dovuta allo strumento di misura. Questo supponendo che l'operatore non commetta errori di misura. La variazione che avviene da misura a misura deve rientrare nella tolleranza.

Tolleranza: differenza massima tra valore indicato dallo strumento e quello reale dovuto solamente alla strumento.

Se lo strumento riesce a dare misure molto simili tra loro possiamo parlare di uno strumento preciso. Più è preciso lo strumento più la tolleranza è bassa.

Inoltre, quando leggiamo il dato sullo strumento dobbiamo tenere conto della risoluzione dello strumento di misura.

Risoluzione: limite inferiore al quale ha senso definire un valore di lettura e quindi è il limite inferiore di acquisizione del dato. Viene specificato dal produttore dello strumento.

Precisione:

Accuratezza: quanto ci si avvicina al valore reale.

Precisione e accuratezza sono concetti differenti e che possiamo rappresentare in un grafico come di seguito.

1. Se abbiamo una misura, es. ossigeno in un fiume, con bassa precisione bassa accuratezza, i nostri punti sono posizionati attorno e distanti dal centro del bersaglio, il valore reale.
2. Alta precisione, bassa accuratezza: i punti sono molto vicini tra loro, ma lontani dal centro.
3. Bassa precisione, alta accuratezza: dati poco precisi quindi distanti tra loro ma con media vicina al centro.
4. Alta precisione, alta accuratezza: caso migliore, i dati sono tutti vicino al valore reale.

Se volessimo avvicinarci il più possibile al valore reale dovremmo effettuare un numero elevato di misure, teoricamente infinito, con uno strumento con grande accuratezza e precisione. Non sempre abbiamo tali strumenti e non possiamo effettuare un numero infinito di misure. Le misure, in analisi ambientali hanno un costo: misurare l’ammoniaca in acqua è un'analisi costosa. Quindi non è possibile ripetere l’analisi innumerevoli volte, ma solo un numero di volte utili a ottenere una media rappresentativa. Si ricorre ad un numero limitato di misure che va da 3 a 5, si fa la media dei risultati e si fa una stima il più corretta possibile del valore desiderato.

Esercizio: 4 modalità per misurare un parametro: A, B, C, D. Per ogni modalità acquisiamo con differenti combinazioni di accuratezza e precisione. La linea orizzontale è il valore che non conosco e che cerco.

I pallini neri vuoti sono le misure sperimentali, il pallino nero pieno è la media di ogni serie di misurazioni. Bisogna associare i casi A B C D alle quattro combinazioni di precisione/accuratezza alta/bassa.

Errori delle misure sperimentali

• Sistematico. Errore che nasce dall’utilizzo di uno strumento o di un metodo o processo che sono inficiate da un errore. Esempio: strumento tarato male. Questo errore influenza il dato nella stessa direzione. Non può essere eliminato dopo le misure. Ad esempio non viene eliminato dalla media delle misure, ma rimane. Il metodo per ridurlo è di disporre di strumenti di misura ben controllati e calibrati non possiamo mai essere sicuri di non aver fatto errori sistematici.
• Casuale o accidentale. Varia in maniera casuale, indeterminato, a volte in eccesso a volte in difetto. Associato alle operazioni dell’operatore, o dello strumento. Un errore grossolano è quello di calare la sonda vicino al fondale, o toccando con la sonda dei vegetali. Questi errori non sono ripetibili. Tutte le volte che rifaccio la misura posso generare l’errore o meno. Ripetendo molte volte la misura questi errori dovrebbero compensarsi. Il rimedio è quello di disporre di un certo numero di misurazioni e procedere con un'indagine statistica. Crea misure che si distribuiscono attorno al dato vero, valori più bassi e più alti. Possiamo ridurre l’errore casuale elaborando molti dati.

Frequente perché dobbiamo misurare parametri non sempre di facile misurazione, come l’ossigeno nel fiume, o in un lago. Sembra semplice ma può essere soggetta a molti errori. Se misuro l’ossigeno nel fiume, calo una sonda soggetta alla turbolenza, passaggio di materiale solido che potrebbe sporcare la sonda, avvicinamento a un ostacolo, sospensione di sedimenti, fondale. Varie problematiche legate al fatto che le misure sono fatte nell’ambiente. Se determinati parametri sono facili da misurare in laboratorio, lavorare nell’ambiente può diventare complicato.

Esercizio: calcolo errore di misura

Prima di determinare la concentrazione di cloro residuo nell’acqua di una piscina, si è deciso di provare a verificare l’accuratezza del processo di misurazione, utilizzando uno standard a concentrazione nota, pari a =1,00 mg/L di analita. Dalla misurazione si ottiene =1,11μ x_img/L. Calcolare l’errore.

L’errore commesso non è trascurabile. Una sola misura può non essere significativa, soprattutto quando la manualità dell’operatore può incidere in modo rilevante sul risultato è.