Ingegneria Ambientale

Introduzione all'ingegneria ambientale

Premessa

L'ingegneria ambientale è quella branca dell'ingegneria che si occupa:

• Della protezione delle popolazioni umane dagli effetti di fattori ambientali negativi;
• Della protezione dell'ambiente, sia locale sia globale, dagli effetti potenzialmente negativi delle attività umane;
• Del miglioramento della qualità dell'ambiente per la salute dell'uomo e per il suo benessere.

La tecnologia ambientale chimica ha per oggetto i processi fisici, chimici e biologici e gli impianti d'interesse dell'ingegneria ambientale che comportano cambiamenti della composizione e/o delle proprietà della materia.

Nessuno dei tre settori sopra individuati costituisce una novità come campo di ricerca e di attività professionale dell'ingegnere essendo anzi - specialmente il primo e l'ultimo - oggetto di discipline tradizionali dell'ingegneria.

A partire dagli anni '60 l'attenzione ai problemi ambientali nei paesi industrializzati - oltre a coinvolgere strati sempre più larghi di popolazione - si è rivolta principalmente al secondo di detti settori, e cioè alla protezione dell'ambiente dagli effetti potenzialmente negativi delle attività umane, condizionando a questo obiettivo il miglioramento della qualità dell'ambiente per il benessere dell'uomo e anche, in qualche caso, per la sua salute.

Nell'ambito di un discorso di carattere metodologico sulle tecnologie ambientali chimiche, si deve sottolineare che non è più possibile intervenire sull'ambiente settorialmente e che l'ambiente stesso debba essere riguardato come un sistema complesso in cui si colloca organicamente l'uomo con le sue esigenze e le sue attività. Ma, anche senza voler entrare nel merito della teoria formale dei sistemi complessi, è evidente che lo studio dei problemi ambientali comporta una decomposizione del sistema ambientale in sotto sistemi, ferma rimanendo la necessità di una corretta considerazione delle interazioni tra i sotto sistemi medesimi.

Il sistema ambientale

Con riferimento alla valutazione dell'impatto ambientale, devono essere considerate le seguenti quattro componenti ambientali: fisica, sociale, estetica, economica.

La tecnologia ambientale chimica, chiaramente, agisce nell'ambito della componente fisica ma produce o può produrre effetti su tutte le componenti ambientali e pertanto - proprio nella visione sistemistica anzidetta - deve tenere conto delle interazioni tra tali componenti. L'approccio tradizionale è di suddividere la componente fisica dell'ambiente in aria, acqua e suolo e quindi, per esempio, di trattare separatamente le diverse forme di inquinamento ambientale atmosferico, idrico, del suolo, acustico, ecc. Questo tipo di approccio è tuttora pienamente valido a livello di progettazione dei singoli interventi; ad esso fa anche riferimento, del resto, la vigente normativa italiana contro l'inquinamento ambientale che vede le cosiddette leggi antismog, Legge n. 615/1966, e Merli, Legge n. 319/1976, e il decreto di recepimento di alcune direttive CEE sui rifiuti, DPR n. 915/1982, capostipiti dei tre complessi di provvedimenti rispettivamente contro l'inquinamento dell'aria, dell'acqua e del suolo; è però da sottolineare che, già all'interno di questi, appare chiara la necessità di collegare i tre aspetti, quando, per esempio l'art. 3,4 del DPR n. 322/1971 sull'inquinamento atmosferico di origine industriale ammette gli impianti di abbattimento a umido degli inquinanti atmosferici solo se lo scarico liquido viene convenientemente depurato o quando la normativa sui rifiuti si preoccupa che le discariche controllate non diano luogo ad inquinamento delle acque superficiali e sotterranee.

È peraltro necessario che, a monte della progettazione del singolo intervento, e cioè nei momenti della pianificazione, della programmazione e della progettazione generale degli interventi di protezione e bonifica ambientale, si proceda considerando i diversi possibili livelli d'intervento tecnologico sulla componente fisica dell'ambiente, senza suddividere ulteriormente la componente stessa e tenendo nella giusta considerazione gli effetti sulle altre componenti.

L'inquinamento ambientale

Si può definire l'inquinamento ambientale come un cambiamento delle caratteristiche fisiche, chimiche o biologiche dell'aria, dell'acqua o del suolo causato dall'immissione nell'ambiente di materia o energia, in modo tale da provocare effetti negativi misurabili immediati o differiti e in particolare:

• Danni all'uomo e alle specie animali e vegetali accette,
• Danni ai materiali,
• Spreco o deterioramento delle risorse naturali,
• Limitazioni alle attività economiche, culturali, ricreative, sportive, ecc.

La precedente definizione, come le tante reperibili nella letteratura tecnica, pur mettendo in evidenza gli aspetti principali che caratterizzano l'inquinamento ambientale, cioè:

• L'immissione di materia o energia nell'ambiente,
• Il conseguente verificarsi di effetti negativi misurabili,

è solo parzialmente soddisfacente. In particolare risulterebbe troppo estensiva se si considerasse inquinamento ambientale qualsiasi immissione di materia o energia nell'ambiente provocante effetti negativi, e quindi, per esempio, anche un'alluvione, o un'esplosione, le quali peraltro provocano anche inquinamento ambientale: del suolo e delle acque la prima, atmosferico e acustico la seconda.

La locuzione “effetti negativi misurabili” è necessariamente generica, in particolare l'aggettivo misurabile non è usato col preciso significato che assume nella Fisica, pur richiamando la necessità di concreti elementi di valutazione o di previsione degli effetti negativi.

La definizione sopra data trova conferma nel DPR n. 203/1988 che dà la seguente definizione dell'inquinamento atmosferico: "ogni modificazione della normale composizione o stato fisico dell'aria atmosferica, dovuta alla presenza nella stessa di una o più sostanze in quantità e con caratteristiche tali da alterare le normali condizioni ambientali e di salubrità dell'aria; da costituire pericolo ovvero pregiudizio diretto o indiretto per la salute dell'uomo; da compromettere le attività ricreative e gli altri usi legittimi dell'ambiente; alterare le risorse biologiche e gli ecosistemi ed i beni materiali pubblici e privati".

Gli inquinanti

Parafrasando un celebre aforisma del Paracelso, si può dire che ogni sostanza in adeguata dose è inquinante; è però normale che quando si parla d'inquinanti materiali si faccia riferimento alle sostanze inorganiche e organiche, inquinanti chimici, e ai microrganismi, inquinanti biologici, che più probabilmente possono essere immessi in dosi dannose nell'ambiente.

Come è noto, gli inquinanti chimici direttamente immessi nell'ambiente sono detti primari; quelli formatisi per reazione degli stessi nel corso della loro evoluzione nell'ambiente sono detti secondari, con ciò riferendosi alla successione temporale e non all'importanza relativa. Gli inquinanti chimici presenti in piccola quantità, ma ugualmente dannosi per l'elevata tossicità, la persistenza, la bioaccumulazione, ecc. sono detti microinquinanti.

L'immissione d'energia nell'ambiente può essere o meno associata all'immissione di materia; il primo caso si verifica, per esempio, quando una corrente materiale calda viene immessa nell'ambiente, il secondo quando, per esempio, si propagano nell'ambiente onde di pressione, onde elettromagnetiche, ecc.

Si potranno così avere forme d'inquinamento termico, acustico, da radiazioni elettromagnetiche di vario tipo, secondo la frequenza, sempre purché l'energia sia immessa nell'ambiente in dosi dannose.

Per quantificare la presenza d'inquinanti nell'ambiente si usano parametri intensivi diversi a seconda della tipologia d'inquinante; per semplicità di esposizione nel seguito della relazione parleremo in ogni caso di concentrazione.

Nello specifico, per quantificare la presenza di inquinanti nell'ambiente si ricordano i parametri intensivi di uso corrente:

• La concentrazione massiva o molare e cioè la massa, le moli, d'inquinante per unità di volume totale in un dato stato di riferimento;
• La frazione massiva o molare per unità di massa o di moli totale e relativi sottomultipli, per es. la % ponderale, le p.p.m. pond.;
• La frazione volumica e cioè il volume di inquinante per unità di volume totale, coincidente, per le miscele di gas perfetti, con la frazione molare, e relativi sottomultipli, es. le parti per milione volumiche "p.p.m.vol.";
• La concentrazione superficiale di massa o molare e cioè la massa, le moli, per unità di superficie sulla quale l'inquinante stesso è depositato;
• Il numero di batteri per unità di volume del mezzo, per es. il Most Probable Number di coliformi in 100 ml di acqua "MPN/100ml";
• La temperatura;
• Il livello sonoro, ad es. in decibel dB=10 log [P/Po] con Po = 2·10^-4 dyne/cm²;
• L'intensità di dose di radiazioni ionizzanti.

Sorgenti inquinanti

Gli inquinanti immessi nell'ambiente sono emessi da sorgenti che possono essere:

• Naturali o antropiche;
• Fisse o mobili;
• Puntiformi o distribuite;
• Continue o intermittenti o accidentali;
• Effettive o potenziali.

A tal proposito si osservi che:

• (a) Una sorgente inquinante viene considerata puntiforme quando le sue dimensioni sono molto piccole rispetto alla distanza dell'area inquinata in esame;
• (b) Una sorgente inquinante viene considerata continua anche se l'emissione subisce - come di norma si verifica - delle interruzioni, purché di breve durata e/o rare;
• (c) Le sorgenti accidentali e le potenziali sono a volte causa di veri e propri disastri, come per esempio nel caso di sversamenti di petrolio in conseguenza di rotture di oleodotti o di affondamenti di petroliere, sorgenti accidentali, o di intervento di organi di sicurezza in conseguenza di sovrapressioni anomale in apparati chimici, sorgenti potenziali, come a Seveso (1976) o a Bophal (1986).

Il processo d'inquinamento

Gli inquinanti emessi da una sorgente vengono immessi nell'ambiente dove si propagano, con velocità e per distanze che dipendono dal tipo d'inquinante e dalle circostanze, variando di concentrazione ed eventualmente subendo trasformazioni fisiche, chimiche e biologiche.

Così per esempio: le acque di rifiuto immesse da una fognatura in un fiume si miscelano con l'acqua di questo e la seguono nel suo moto a valle del punto d'immissione, la miscelazione provoca una diminuzione della concentrazione degli inquinanti rispetto a quella presente nelle acque di rifiuto e, ovviamente, un aumento rispetto a quella nel fiume a monte del punto d'immissione; gli inquinanti subiscono fenomeni di trasporto, per esempio oltre al trasporto convettivo con la corrente del fiume, è presente anche quello diffusivo da zone a maggiore verso zone a minore concentrazione e il trasporto interfacciale liquido-solido e liquido-gas, trasformazioni fisiche, per esempio adsorbimento su materiali solidi del letto del fiume, chimiche e chimico-biologiche, per esempio decomposizione anaerobica degli inquinanti organici, trasformazione di carbonati in bicarbonati, biologiche, per esempio sviluppo di colonie batteriche e di alghe.

Gli inquinanti propagatisi nell'ambiente agiscono su persone, animali, vegetali e cose, eventualmente determinando quegli effetti negativi la cui esistenza è condizione necessaria perché sussista un inquinamento ambientale.

Sorgente. Interventi di riduzione della emissione inquinante. Sistema di abbattimento degli inquinanti. Emissione inquinante. Sistema di dispersione della emissione inquinante. Emissione residua. Dispersione e trasformazione nell'ambiente. Immissione inquinante. Sistema di protezione del ricettore. Effetti. Ricettore. Sistema di trattamento e smaltimento dei residui. Residui dei trattamenti.

Fig. 1. Rappresentazione mediante diagramma a blocchi dell'impatto ambientale di una sorgente inquinante.

Livelli d'intervento contro l'inquinamento

Gli effetti negativi dell'inquinamento ambientale aumentano con la concentrazione, in senso lato, come detto in precedenza, dell'inquinante e con i tempi di esposizione all'inquinamento dell'oggetto, persona, animale, vegetale, cosa, o ricettore.

La concentrazione dell'inquinante, a sua volta, cresce con la quantità d'inquinante immessa dalla sorgente nell'ambiente e decresce col volume o con la superficie in cui tale quantità si disperde.

Esaminando il problema da un punto di vista generale e seguendo il processo d'inquinamento come lo si è sinteticamente prima delineato, si possono individuare i seguenti livelli d'intervento contro l'inquinamento:

• (a) Sulla sorgente inquinante, agendo sul processo di formazione dell'emissione inquinante;
• (b) Sull'emissione inquinante, agendo immediatamente a valle della sorgente e prima dell'immissione dell'emissione stessa nell'ambiente, con un sistema di abbattimento degli inquinanti;
• (c) Sull'emissione inquinante, agendo immediatamente a monte dell'immissione nell'ambiente e a valle dell'eventuale sistema d'abbattimento, con un sistema che favorisca la dispersione dell'emissione inquinante in un maggior volume o su una maggiore superficie;
• (d) Sull'immissione inquinante, agendo nell'ambiente per diminuire la concentrazione d'inquinante, con sistemi che ne favoriscano la dispersione, la trasformazione e l'abbattimento;
• (e) Sull'immissione inquinante, agendo sulla parte destinata a venire a contatto con l'oggetto dell'inquinamento, con un sistema d'abbattimento degli inquinanti.

Alcuni esempi serviranno a chiarire quanto detto:

• La sostituzione dell'olio combustibile ad alto tenore di zolfo (ATZ) con altro a basso tenore di zolfo (BTZ) diminuisce considerevolmente le emissioni di ossidi di zolfo di una centrale termica, intervento di tipo a.
• Il rumore prodotto dal moto di un fluido in una tubazione può essere ridotto o praticamente eliminato con una corretta progettazione della tubazione, in particolare riducendo la velocità del fluido, intervento di tipo a.
• Il trattamento delle acque di rifiuto in un impianto di depurazione prima della loro immissione in acque superficiali diminuisce spesso considerevolmente la quantità d'inquinanti immessa in queste, intervento di tipo b.
• L'utilizzazione, per il trasporto di materiali radioattivi, di contenitori dotati di schermi biologici di spessore adeguato consente di mantenere entro livelli accettabili la dose di radiazioni emessa nell'ambiente esterno, intervento di tipo b.
• L'isolamento acustico di una macchina rumorosa limita l'energia acustica immessa nell'ambiente; così come l'impermeabilizzazione di una discarica controllata di rifiuti solidi limita l'immissione di sostanze inquinanti nell'ambiente, interventi di tipo b.
• La massima concentrazione nell'atmosfera a livello del suolo degli inquinanti emessi da una centrale termica può essere diminuita innalzando l'altezza efficace del punto d'emissione dei fumi, disperdendo conseguentemente i fumi stessi in un maggiore volume di aria, intervento di tipo c.
• Lo spargimento di acque di rifiuto civili o di allevamenti di bestiame su una vasta area di terreno agricolo, limitando il quantitativo immesso per unità di superficie, intervento di tipo c, può costituire, in determinate circostanze, un sistema di smaltimento preferibile ad altri.
• La creazione in un corso d'acqua di zone ad alta turbolenza e quindi una grande area interfacciale acqua-aria, per es. cascate, favorisce l'ossigenazione dell'acqua ed ne aumenta le capacità autodepurative, intervento di tipo d.
• La collocazione di materiali fonoassorbenti sulla superficie interna delle pareti di un locale dove è in funzione una macchina rumorosa riduce, non solo l'energia sonora immessa nell'ambiente esterno, intervento di tipo b, ma anche la riflessione del suono e quindi il livello sonoro all'interno del locale, intervento di tipo d.
• L'acqua prelevata da un fiume per rifornire l'acquedotto di una città deve essere trattata in un impianto di potabilizzazione prima di essere immessa nell'acquedotto stesso, intervento di tipo e.
• Le pareti di un'abitazione attenuano i rumori provenienti dall'esterno, intervento di tipo e.
• La maschera adottata per operare in un'atmosfera fortemente inquinata abbatte gli inquinanti dell'aria inspirata prima della sua introduzione nell'apparato respiratorio, intervento di tipo e.
• Una superficie metallica viene verniciata per impedirne la corrosione da parte di inquinanti atmosferici o da questi favorita, intervento di tipo e.
• L'aria esterna prelevata da un impianto di condizionamento viene filtrata prima di essere immessa in un ambiente abitativo, intervento di tipo e.

Il diagramma a blocchi della figura 1 riassume quanto esposto e pone l'attenzione sulla necessità di provvedere allo smaltimento dei residui dei diversi trattamenti dell'emissione inquinante.

Gli standard di qualità dell'ambiente

Com'è noto, gli standard di qualità ambientale (SQA) rappresentano i limiti massimi di accettabilità delle concentrazioni, o di altro conveniente parametro intensivo, e delle esposizioni per i diversi inquinanti e condizioni ambientali. Tali SQA dipendono dalle finalità stabilite, per esempio mantenimento di cara