Relazione Monitoraggio Matrici ambientali

U pniversità di Isad scienze della teraipartimento dic l s aorso di aurea in cienze mbientalimetodologia di analisidi una matriceambientale

Studio della Cassa di Colmata del porto di Monfalcone

Sunto: Analisi di un possibile modello di studio per la valutazione sull’origine antropica o naturale di analiti individuati in una matrice ambientale.

Marco Luppichini

Indice

PARTE 1: CAMPIONAMENTO E PREPARAZIONE DEI CAMPIONI .............................. 4

1. CAMPIONAMENTO DELLE ACQUE E DEL SEDIMENTO ....................................... 4

1.1 Caratteristiche di campionamento ....................................................................................... 5

1.2 Metodologia di analisi ottimale ........................................................................................... 7

1.3 Strategie di campionamento ................................................................................................ 7

1.4 Scelta delle apparecchiature per il campionamento ............................................................. 8

1.5 Strumentazione per il campionamento ................................................................................ 9

1.5.1 Bottiglie Niskin e Van Dorn e campionatore automatico ............................................ 10

1.5.2 Sistemi di aspirazione ............................................................................................... 11

1.5.4 Strumenti di campionamento per i sedimenti ed i terreni .......................................... 12

1.5.5 Strumentazione per il campionamento di particolato ................................................ 13

1.5.6 Campionatori bailer .................................................................................................. 13

1.6 Materiali da utilizzare per la raccolta e la conservazione del campione .............................. 13

1.7 Conservazione del campione ............................................................................................. 14

2. METODI DI SEPARAZIONE .............................................................................. 15

PARTE 2: STUDIO SULLA CASSA DI COLMATA DEL PORTO DI MONFALCONE ......... 16

3. PIANO DELLE INDAGINI .................................................................................. 16

4. ATTIVITÀ ........................................................................................................ 17

4.1 Livello piezometrico, log di conducibilità elettrica e temperatura ....................................... 17

4.2 Campionamento delle acque sotterranee in condizioni statiche ......................................... 18

4.3 Campionamento delle acque sotterranee in condizioni dinamiche ..................................... 19

4.4 Analisi chimiche ed isotopiche delle acque ........................................................................ 19

5. RISULTATI ...................................................................................................... 20

5.1 Profili CTD nei piezometri .................................................................................................. 20

5.2 Caratteristiche chimiche delle acque sotterranee, campionamento statico ........................ 21

5.3 Caratteristiche chimiche delle acque, campionamento dinamico ........................................ 23

5.4 Caratteristiche isotopiche delle acque ............................................................................... 26

5.5 Caratteristiche chimiche del materiale in sospensione nelle acque dei piezometri .............. 27

5.6 Gruppo dei composti organici ............................................................................................ 28

16. DISCUSSIONE ................................................................................................. 29

6.1 Definizione della tipologia dell’acquifero ........................................................................... 29

6.2 Salinizzazione .................................................................................................................... 30

6.3 Condizioni di ossido-riduzione, speciazione e ruolo della materia organica ......................... 31

6.4 Il ferro ed il ciclo degli elementi potenzialmente nocivi ...................................................... 32

6.5 Sorgenti geogeniche .......................................................................................................... 33

7. CONCLUSIONI ................................................................................................. 35

Introduzione

Lo scopo di questo lavoro è quello di analizzare un possibile modello di studio per la valutazione sull’origine antropica o naturale di analiti individuati in una matrice ambientale, e in particolar modo per acque sotterranee. Il caso preso in esame è lo studio svolto dal Dipartimento di Matematica e Geoscienze dell’Università di Trieste dove si è voluto indagare sulla origine di analiti individuati nelle acque di falda della Cassa di Colmata del Porto di Monfalcone.

L’approccio scientifico su cui è basato questo studio si differenzia rispetto a quello che può aver ispirato in passato le attività di caratterizzazione delle matrici ambientali e, più nello specifico, quello relativo alle acque sotterranee. L’obiettivo infatti non era solamente quello di verificare il superamento o meno delle concentrazioni di soglia riportate nel D.Lgs. 152/2006 per una serie di parametri, ma si richiedeva di verificare, con gli strumenti e le indagini ritenute utili, l’origine dei contaminanti e le condizioni del sito.

Il lavoro si articola in due parti: la prima parte tratta dal punto di vista generale come deve essere eseguito un campionamento di acque e sedimento, invece la seconda parte prende in esame lo studio descritto poco sopra.

Parte 1: Campionamento e preparazione dei campioni

1. Campionamento delle acque e del sedimento

Il campionamento può definirsi come l’operazione di prelevamento della parte di una sostanza di dimensione tale che la proprietà misura nel campione prelevato rappresenti, entro un limite accettabile noto, la stessa proprietà di origine.

Quindi il campionamento costituisce la prima fase di ogni procedimento di analisi, fase estremamente complessa e delicata che condiziona i risultati di tutte le operazioni successive e che può incidere in misura non trascurabile sull’errore totale delle misure.

Dal momento di prelievo il campione inizia a modificarsi sotto vari aspetti: fisicamente (evaporazione, sedimentazione, adsorbimento alle pareti sono fenomeni tipici nel caso di soluzioni, ecc…); chimicamente (reazioni di neutralizzazione, trasformazioni ossidative, ecc…); biologicamente (attacco batterico, fotosintesi, ecc…).

È noto che i risultati analitici definiscono le caratteristiche di un certo campione al momento in cui vengono effettuate le determinazioni. D’altra parte sussiste la generale necessità di ottenere campioni il più possibile rappresentativi delle reali condizioni quali-quantitative che si desiderano conoscere, rappresentatività necessaria qualunque sia l’obiettivo che si intende perseguire.

Numerose fonti di incertezza posso influire sui risultati di analisi ambientali. La Figura 1-1 riassume in modo schematico le principali fasi di un’analisi ambientale, le possibili fonti di incertezza ed un indice qualitativo per valutare quanto la specifica fase possa gravare sull’incertezza finale. Dal punto di vista analitico, la rappresentatività del risultato dipende dal numero di campioni prelevati. Tale numero può essere definito statisticamente in base a criteri dipendenti dagli obiettivi di qualità e dalla ripetibilità del metodo.

Generalmente, però, il numero di campioni ricavati in base a considerazioni statistiche è poco realistico, perché porta spesso ad un numero di prelievi non sostenibile rispetto alle risorse economiche, umane e laboratoristiche disponibili.

Fig.1-1: Fasi dell’analisi di una matrice ambientale e le rispettive incertezze

1.1 Caratteristiche di campionamento

Il campionamento di uno scarico, di un corpo idrico (lago, fiume) o di una falda è la fase iniziale di un’azione analitica avviata per scopi di ricerca, monitoraggio, controllo, ecc… i cui obbiettivi debbono essere ben noti agli operatori di campagna. Le caratteristiche del prelievo sono infatti la diretta conseguenza di questi obbiettivi e devono essere costantemente presenti in ogni fase delle operazioni, al fine della salvaguardia della rappresentatività e della significatività delle operazioni di campionamento.

In modo analogo anche l’analista deve essere sufficientemente informato delle modalità di prelievo, da parte del responsabile dell’indagine, al punto che possa essere anche in grado di incidere in modo significativo sulle procedure, modificando operazioni che possono influire sulla stabilità degli analiti, al fine di produrre risultati in linea con gli obbiettivi di qualità stabiliti nella fase di pianificazione delle attività.

Le basi sistematiche di un qualsiasi programma di campionamento includono quindi una serie di fasi interdipendenti fra loro, alcune delle quali sono qui elencate:

• Definizione dell’obbiettivo;
• Determinazione del tipo, scopo e richiesta di accuratezza dell’analisi che deve essere condotta;
• Identificazione del tipo di campione che deve essere raccolto (acqua, particolato, ecc…);
• Individuazione dei luoghi e dei punti di campionamento;
• Definizione dei parametri accessori che devono essere inseriti nel programma di raccolta;
• Individuazione delle precauzioni di sicurezza e di igiene che devono essere adottate;
• Preparazione di un piano ottimale di prelievo in termini di numero di campioni, tempo richiesto e durata della raccolta anche in relazione alla distanza ed alla accessibilità del luogo in cui si trova il corpo d’acqua;
• Definizione del numero di addetti e delle loro competenze necessarie per la conduzione del campionamento;
• Pianificazione logistica del campionamento (mezzi di trasporto e di campo, luoghi di accesso al corpo idrico, luoghi di pernottamento del personale, ecc…);
• Selezione di un equipaggiamento per le raccolte dei campioni e per le misure in campo che siano adatte al corpo idrico da campionare;
• Selezione degli accessori necessari in relazione all’accessibilità del sito di prelievo e alle misure ed osservazioni sussidiarie stabilite;
• Individuazione delle procedure di manipolazione dei campioni, degli appropriati sistemi per il trasporto e lo stoccaggio e le catene del freddo richieste per una adeguata conservazione;
• Valutazione sui metodi di analisi in campo disponibili e sulla loro validità rispetto ai metodi di laboratorio, sul loro potenziale utilizzo per valutare la rappresentatività del campionamento e sulla necessità di effettuare eventuali repliche dei campioni per aumentare l’accuratezza e la rappresentatività delle analisi;
• Definizione delle procedure necessarie a garantire un immediato uso dei risultati e la loro archiviazione come sorgente di informazioni per utilizzi futuri a breve-medio termine, ai fini del miglioramento delle operazioni e per una migliore attività analitica;
• Definizione del tipo di documentazione che deve essere utilizzato durante tutto il programma di campionamento.

Il “sistema di campionamento” è rappresentato quindi da una sequenza molto articolata di operazioni che comportano la pianificazione accurata di una strategia che, una volta fissata, deve essere rigorosamente eseguita.

La documentazione del campione prelevato dovrà includere lo scopo del campionamento, la descrizione del luogo del prelievo, l’ora ed il giorno del prelievo, le caratteristiche del campione, le precauzioni necessarie alla conservazione, l’identificazione del campione, l’identificazione degli operatori e delle analisi che devono essere fatte.

1.2 Metodologia di analisi ottimale

La metodologia di analisi ottimale è la procedura che:

• Preveda un minor numero di passaggi intermedi tra prelievo ed analisi strumentale,
• Un maggior numero di analiti determinabili parallelamente o sequenzialmente con la stessa procedura di trattamento del campione,
• Un minor tempo di analisi (misura strumentale) compreso il tempo di riequilibrazione della catena di rivelazione tra una misura e l’altra,
• Un minor effetto degli interferenti nella misura dell’analita, un maggior intervallo dinamico lineare e minore limite di rivelabilità,
• Una massima precisione ed accuratezza,
• Diagrammi di calibrazione riproducibili nel tempo
• Un’intercorrelazione della sensibilità per i diversi analiti.

1.3 Strategie di campionamento

Le strategie di campionamento possono essere classificate in quattro categorie:

• Casuali;
• Stratificate;
• Sistematiche;
• Preferenziali o ragionate.

Campionamento casuale (random): si intende un prelevamento senza “bias”, cioè senza derive tendenziose, ma non “a casaccio”. I singoli prelevamenti dovrebbero avere la stessa probabilità di includere tutti i componenti delle soluzioni in esame. Questa tecnica si utilizza con soluzioni omogenee, per la misura di alcune proprietà fisiche e chimiche e quando non si abbiano sufficienti informazioni.

Campionamento stratificato: l’intera area in esame è suddivisa in sotto-aree, da ciascuna delle quali è tratto un campionamento sistematico o casuale semplice. Si ricorre ad un tale procedimento qualora si voglia effettuare un’inferenza statistica su ciascuna sotto-area separatamente.

Campionamento sistematico: è la tecnica più comune e consiste nel prelevamento del campione ad intervalli (di tempo o di spazio) predeterminati nel piano di campionamento. Rispetto al campionamento casuale, il campionamento sistematico permette una distribuzione maggiormente uniforme dei punti di campionamento e in generale, rappresenta il miglior schema per l’applicazione della geostatistica.

Campionamento preferenziale (o ragionato): è quello che, attraverso esperienze dirette visive in campo o in base ad esperienze del passato, conoscenza dei luoghi, esperienza dell’operatore, condizioni fisiche locali ed informazioni raccolte permette di definire in modo “ragionato” i siti di prelievo.

Esistono poi combinazioni tra le strategie sopra elencate, del tipo: casuale preferenziale, casuale stratificato, sistematico stratificato, sistematico casuale e sistematico preferenziale.

La scelta della strategia dipende anche dall’utilizzazione prevista dei dati: i campioni per scopi legali dovrebbero essere preferibilmente casuali ed avere una elevata numerosità; i campioni per studio di ricerca possono essere più efficaci e rappresentativi se prelevati mediante un tipo di campionamento preferenziale o sistematico. Spesso una combinazione dei diversi tipi è l’approccio migliore.

Possiamo individuare poi ulteriori due strategie di campionamento, che differiscono per la durata temporale:

• Campionamento istantaneo: si intende il prelievo di un singolo campione in un’unica soluzione in un punto determinato ed in un tempo molto breve. Il campionamento istantaneo è da considerarsi rappresentativo delle condizioni presenti all’atto del prelievo ed è consigliabile per controllare scarichi accidentali e/o occasionali di brevissima durata. Viene utilizzato quindi per controlli estemporanei derivanti da necessità contingenti o per determinare effetti istantanei sull’ambiente ricettore, per un controllo delle escursioni dei valori di parametri in esame nel caso di scarichi a composizione variabile, per un controllo di parametri particolari, quali temperatura, ossigeno disciolto, pH, solfuri, cianuri liberi e altri, i valori dei quali possono essere modificati nel corso di un campionamento prolungato.
• Campionamento medio: consiste nell’ottenere un campione effettuando prelievi in un dato intervallo di tempo (ad esempio ogni 3, 6, 12, 24 ore) in maniera continua o discontinua, proporzionale o non alla portata dell’affluente. La scelta della durata del campionamento, del numero dei prelievi e della loro frequenza sarà stabilita in funzione della variabilità delle caratteristiche quali-quantitative dell’effluente. Si distingue in:
  • Campionamento “medio-composito”, il quale viene realizzato mescolando un numero di campioni istantanei prelevati ad opportuni intervalli di tempo, in modo proporzionale o non alla portata;
  • Campiona