Appunti di ingegneria sanitaria ambientale

Ciclo dell'acqua

L'insieme dei flussi che trasportano l’acqua da un luogo di residenza a un altro e l’insieme delle trasformazioni da uno stato fisico a un altro.

Parametri atmosferici

Radiazione solare (innesca processi termici), temperatura atmosferica (quantifica effetto del calore in atmosfera, diminuisce aumentando quota), insolazione (ore del giorno di irraggiamento solare), pressione atmosferica (varia da punto a punto e la sua distribuzione determina dinamica atmosferica), umidità (rappresenta presenza di vapore acqueo in atmosfera), vento (movimento masse d’aria generato da differenza di pressione tra punti diversi di superficie terrestre), precipitazioni (componente primaria del bilancio).

Processi

• Precipitazione: vapore acqueo condensato sotto forma di nuvole che cade sulla superficie terrestre, misurata in termini di intensità.
• Evaporazione: trasferimento acqua da corpi idrici superficiali in atmosfera, passaggio da liquido a vapore; traspirazione: acqua trasferita da terra ad atmosfera con piante; evapotraspirazione.
• Intercettazione: precipitazione intrappolata da vegetazione che non cade al suolo, si manifesta in parte iniziale evento piovoso.
• Infiltrazione: movimento d’acqua da superficie a sottosuolo.
• Scorrimento superficiale: inizia quando suolo non ha più capacità di infiltrazione, acqua si muove in superficie verso mare ma non tutta ci ritorna, molta evapora.
• Deflusso sotterraneo: movimento acqua nella terra e in zone insature e in acquiferi.

Bilancio idrologico

P - ET - R - I = 0 P = ET + R + I. P si determina da stazioni meteorologiche, ET con modelli che considerano variabili climatiche, I e R con modelli matematici.

Si considera come primo anello la condensazione in atmosfera del vapore acqueo, acqua in stato distillato. Precipitazione: acqua si arricchisce di pulviscolo e gas (O₂ e N) che vengono solubilizzati. Pioggia solubilizza CO₂ in strato più basso di atmosfera: in dilavamento atmosferico la pioggia subisce contaminazione microbiologica. Scorrimento superficiale: erosione suolo arricchisce acqua con materiale SS e microrganismi. Deflusso sotterraneo: aumenta contenuto salino acqua.

Parametri di qualità

• Solidi totali: disciolti, colloidi, sospesi sedimentabili. Campione d’acqua viene filtrato in filtro, la si fa evaporare e si misura residuo nel filtro. Si usa cono Imhoff, cono di vetro trasparente e graduato in cui liquido è tenuto in condizioni statiche, risultato dato da volume di fango sedimentato; dà indicazione di fango prodotto anche in sedimentazione primaria. Per solidi fissi e volatili si ha stima grossolana di sostanza organica in frazione solida di acqua di scarico o fango attivo, usata per controllare impianti trattamento acque.
• Torbidità: legata a presenza di colloidi in sospensione, misura tipica di acque naturali. Effetti indesiderati: incidenza su gusto e odore e scarsa limpidezza. Misura effettuata con misura altezza colonna di campione o turbidimetria.
• Colore: origine naturale o da contaminazione, misura effettuata per confronto visivo con soluzioni di riferimento.
• Odore: misura stimata con metodi analitici basati su analisi strumentale di aria contaminata o sensoriali.
• Temperatura: influenza cinetica reazioni chimiche e biochimiche, solubilità gas, densità acqua e condizioni specie biotiche. Scarico caldo riduce concentrazione di OD e accelera attività metabolica microrganismi.
• Conducibilità elettrica: misura solidi disciolti, capacità di acqua di condurre elettricità, funzione di forza ionica mezzo acquoso e temperatura.

BOD (domanda biochimica di ossigeno)

Misura indiretta del contenuto di sostanza biodegradabile, calcolato come quantitativo di O₂ consumato da flora batterica per ossidare composti biodegradabili. Misura basata su processo biochimico aerobico effettuato da flora batterica. Dire che un liquame ha BOD₅ di 700 mg/L significa che per stabilizzazione aerobica di sostanza organica bisogna mettere a disposizione 700 mg O₂ a flora batterica.

Nel calcolo del BOD si ammette che la trasformazione della sostanza organica si sviluppi con cinetica di primo ordine, quindi che la velocità di trasformazione sia proporzionale a prima potenza di concentrazione sostanza organica. BOD_tot ha concreto riferimento a realtà fisica perché esprime effettivo consumo di O₂ necessario per completa degradazione componente organica. In base a cinetica dopo 20 giorni BOD residuo è pari a 1% BOD iniziale, quindi BOD₂₀ quasi coincide con BOD_tot. Temperatura ha ruolo fondamentale in cinetica, misurazione a 20°C.

Metodi di misura BOD

• Diretto: acque naturali. Determinazione OD in campione da analizzare prima e dopo incubazione di 5 giorni, al buio e 20°C.
• Diluizione: acque con BOD elevato, necessaria diluizione con acqua distillata; fornitura di O₂ aerando acqua distillata o miscela acqua distillata/campione. Va definito il numero di diluizioni da effettuare: se BOD₅ non noto a priori, più diluizioni.
• Respirometrico: liquame posto in bottiglia a chiusura ermetica e tenuto in agitazione per favorire contatto tra flora e substrato, fornitura di O₂ consiste in scambio di O₂ tra aria sovrastante e liquame. Bottiglia dotata di manometro differenziale, consumo O₂ determina depressione gas misurata da manometro tarato per esprimere risultato in termini di BOD. Produzione di CO₂ interferisce quindi si aggiunge potassa caustica che sottrae chimicamente CO₂: KOH + CO₂ = KHCO₃.

COD (domanda chimica di ossigeno)

Misura indiretta del contenuto totale di sostanza organica in campione. Metodo di misura: ossidazione chimica sostanza organica con energico ossidante (dicromato di potassio) dove Cr è presente in forma esavalente e viene ridotto a trivalente. Dopo due ore il consumo di K₂Cr₂O₇ viene calcolato con titolazione ed espresso in termini di O₂. Per favorire ossidazione viene aggiunto solfato di argento.

COD misurabile in laboratorio anche per via spettrofotometrica: campione miscelato con reagenti, scaldato per un certo tempo, reazione chimica produce composti con colore e densità, caratteristiche proporzionali a COD campione, poi si misura assorbimento ottico a certe lunghezze d’onda. COD biodegradabile e non biodegradabile, il primo può essere diviso in rapidamente e lentamente biodegradabile. Preferito al BOD per minor tempo di analisi; uso di COD limitato per controllo acque, è difficile correlare valore di COD con effetti deossigenanti; valori COD sempre maggiori di BOD; BOD è 60-70% COD.

TOC (carbonio organico totale)

Introdotto per necessità di disporre di misure in continuo. Misura fatta ossidando molecole organiche in cella di combustione ad alta temperatura, si misura CO₂ prodotta con analizzatore a infrarosso. C libera CO₂ ad alte temperature perciò prima viene acidificato per convertire carbonati e bicarbonati in CO₂.

Cinetica sistemi biochimici

RESA: quantità di biomassa formata per unità di substrato rimosso. Parte del substrato Y usato per sintesi (anabolismo), parte restante 1-Y spesa in produzione di energia (catabolismo). Definita come rapporto tra velocità di crescita cellulare e velocità uso substrato. Scarso valore come strumento di quantificazione e progettazione; si usa piuttosto resa reale, cioè quantità sostanza generata per unità di substrato rimosso senza domanda di energia di mantenimento. Espressa come massa di biomassa generata per massa COD rimosso [gSS/gCOD]. Influenzata da natura substrato e organismi presenti, oltre che condizioni ambientali.

Velocità delle reazioni enzimatiche

• Gli enzimi sono molecole di natura proteica sintetizzate da organismi che li usano, catalizzano reazioni con siti attivi contenenti amminoacidi o gruppi funzionali che fungono da accettori o donatori facilitando reazioni.
• Michaelis e Menten: aumentando concentrazione substrato velocità reazione aumenta fino a massimo Vmax in cui substrato satura tutto enzima in soluzione. Azione enzimi in 2 fasi: in prima fase substrato S si lega a enzima E formando complesso ES, poi conversione substrato a prodotto P e riformazione enzima libero. S+E ⇌ ES → E + P.
• Briggs e Haldane hanno dimostrato che rP=Vm*Cs/(km+Cs)(velocità formazione prodotto) non rigorosamente vera perché ipotesi equilibrio prima parte reazione non verificata, va ridefinita costante dissociazione km che rappresenta concentrazione substrato necessaria affinché reazione abbia velocità pari a metà massima. Per basse concentrazioni substrato reazione primo ordine, per alte concentrazioni tende a ordine 0. km indica affinità tra enzima e substrato: più basso è valore e più bassa è concentrazione substrato, alto valore km indica necessità più substrato. Vm e km calcolati sperimentalmente, v e Cs si ottengono linearizzando equazione Michaelis-Menten.
• Inibizione enzimatica: inibitore è composto che riduce velocità reazione catalizzata enzimaticamente legandosi a E o ES, composti possono avere effetto marcato su velocità complessiva reazione e inibirla se concentrazione troppo elevata; competitiva, acompetitiva, non competitiva, da substrato, da prodotto.
• Curva di Monod: curva strettamente empirica; crescita batterica può avvenire con cinetica anche quando nutriente necessario per crescita presente in quantità limitata e valore velocità specifica crescita μ dipende da rapporto tra quantità nutriente limitante presente e quantità necessaria per crescita illimitata. Velocità specifica crescita μ aumenta aumentando concentrazione substrato tendendo asintoticamente a μmax. Espressione: μ = (μm*S)/(Ks+S) dove S concentrazione substrato, Ks costante saturazione (indica rapidità con cui curva tende a μmed e definita come concentrazione substrato a cui μ è uguale a metà velocità massima). Se Ks elevato, raggio curvatura μ=μ(S) tende a diventare molto grande, curva approssimabile da retta: μ=lim(S→∞) (μm*S)/(Ks+S), accade in fanghi attivi.
• Formula di Arrhenius: descrive effetto temperatura su idrolisi enzimatica. K=Ae^(-u/RT) dove A costante, u gradiente temperatura, R costante gas, T temperatura, k coefficiente cinetico.
• Formula di Phelps: esprime variazione coefficiente k in funzione di T: k(T)=k(T0)θ^(T-T0) dove θ coefficiente termico che per fanghi attivi varia da ,01 a 1,15, T0 di solito 20°C.
• Formula di Novak: k(T)=k(T0)e^C(T-T0) si riduce a formula di Phelps quando C=lnθ.

Ruolo e proprietà microrganismi nei processi biochimici

4 categorie: fotoautotrofi, fotoeterotrofi, chemoautotrofi, chemoeterotrofi.

Metabolismo aerobioco

Accettore finale è ossigeno molecolare ridotto a O₂ e CO₂, via metabolica solo se presente OD. Biomassa batterica cresce in forma dispersa o adesa a supporto solido. Fanghi attivi: operazioni biochimiche che usano fango biologico fioccoso per rimuovere sostanza organica da liquame con OD. Per separare biomassa da effluente e riciclarne parte in reattore si usa sedimentazione a gravità. Diversità biologica in fanghi attivi maggiore che in digestori anaerobici. Organismi: formatori di fiocco (separano per gravità fango e liquame trattato), saprofiti (degradazione sostanza organica, costituiti da batteri), predatori (protozoi che si nutrono di batteri), organismi di disturbo (interferiscono con processo). Problema più comune è cattiva sedimentabilità fango dovuta a batteri filamentosi. Filtri percolatori: biomassa cresce adesa a superficie solida su cui scorre corrente sottile di liquame da trattare fornendo nutrienti per comunità biologica.

Metabolismo anossico

Accettori finali sono nitriti e nitrati ridotti a N₂ e H₂O.

Metabolismo anaerobico

Accettore finale è molecola organica formata con ossido riduzione interna; richiede contemporanea presenza di diversi gruppi batterici in equilibrio. Batteri metanigeni: producono CH₄ da acidi organici; sensibili a pH perché causa inibizione. Batteri non metanigeni: convertono liquame in composti più semplici.

Biomassa

C₅H₇O₂N. Misurata in termini di SS (mgSS/L) con determinazione residuo secco. SS danno misura indiretta perché comprendono componenti a essa estranee, va meglio con SSV che non comprendono sostanze inorganiche.

Requisiti nutritivi

C da composti organici in liquame ed energia con ossidazione composti organici; N necessario per sintesi proteine e acidi nucleici, forma organica o inorganica; P necessario per sintesi acidi nucleici e fosfolipidi, se è poco limita crescita batterica e previene completa rimozione sostanza organica; O₂ è agente ossidante finale o accettore finale di elettroni; minerali micro o macronutrienti a seconda della richiesta in liquame.

Anabolismo e catabolismo

Il primo è processo assimilativo che comporta sintesi componenti di cellula, il secondo è dissimilativo e sostanze degradate in passaggi intermedi fino a prodotti stabili. Energia di sintesi: fornire legami anabolici e ridurre fonte di C ad appropriata ossidoriduzione; diminuisce se aumenta stato ossidazione fonte C. Energia mantenimento: mantenere funzionamento vitale cellule, è costante e relativamente indipendente da condizioni ambientali; cellule usano energia esogena finché disponibile, poi fonti interne, infine muoiono.

Fenomeni di inquinamento delle acque naturali

Inquinamento idrico: effetto di scarico in ambiente acquoso di sostanze o energia tali da compromettere salute umana, nuocere a risorse viventi e a sistema ecologico e costituire ostacolo a uso acque. 3 livelli: naturale, indotto temporaneo, indotto permanente. Tipi di scarichi: fognature civili, effluenti industriali, attività agrario-zootecnica. Fonti inquinamento: puntuali, diffuse (lineari, aerali, volumetriche).

Inquinamento estetico-organolettico

Dovuto a presenza sostanze galleggianti, intorbidimento, colorazione acque, maleodorazione, fattori che alterano valore paesaggistico e fruitivo corpo idrico. Certi fenomeni solo alterazione stato salute corpo in quanto causa di effetti secondari. Odori: putridi, pesce, vermi, terra.

Deossigenazione acque

Corpi idrici senza inquinamento sono ben ossigenati con OD prossimo a saturazione, concentrazione di saturazione in acqua Cs dipende da T e p secondo la legge di Henry Cs=p*H (H: coefficiente di Henry), che regola solubilità di gas in liquido in funzione di T. H dipende da T e gas, quindi solubilità O₂ dipende da T e p. Salinità: a parità di T si riduce solubilità aumentando solubilità. Presenza concentrazioni OD in acque è necessaria per vita fauna ittica. Termini di bilancio deossigenazione: R1 (consumo O₂ da flora batterica per degrado BOD), R2 (riossigenazione acque per scambio O₂ con atmosfera), Z (produzione O₂ per fotosintesi alghe), S (consumo O₂ da bentos); R1 e R2 in competizione fra loro.

Consumo biochimico O₂ R1

Attività biologica operata da batteri aerobici che degradano composti organici naturali, cinetica consumo O₂ è del primo ordine, graficamente curva OD parallela a BOD residuo.

Riossigenazione R2

Trasporto O₂ da aria a acqua regolato da espressione bilancio massa Q=CS(Cs-C)=KSD.

Produzione netta O₂ da alghe Z

Z=R-P dove P produzione O₂ per fotosintesi in funzione di tempo con andamento sinusoidale, R consumo dovuto a respirazione algale. Z varia con intensità e durata irraggiamento, temperatura acqua, volume d’acqua interessato da fotosintesi.

Consumo bentonico O₂ S

Depositi formati su letto fiumi a debole corrente esercitano domanda O₂ per effetto attività su interfaccia acqua/deposito.

Equazione bilancio semplificato Streeter e Phelps

Considera solo R1 e R2 trascurando s e Z, basato su ipotesi di condizioni stazionarie, portata Q costante in direzione flusso, scambi di O₂ per diffusione trascurabili. –Q(∂C/∂x)dx–r1dV+r2dV=0. Integrando diventa: D(t)=k1/(k2–k1)BOD₀[e^(k1/V)xe^(k2/V)x)+ D₀e^(k2/V)x. Sostituendo x = Vt: D(t)=k1/(k2–k1)BOD₀[e^(-k1t)–e^(-k2t)]+D₀e^(-k2t). Graficamente assume forma di curva a sacco o curva di autodepurazione. Va paragonata con limiti di sopravvivenza specie ittiche per individuare porzioni di fiume critiche o anossiche. Soglia minima di 5 mg/L è condizione necessaria per sopravvivenza specie ittiche pregiate. Se curva va sotto asse x situazione anossica con rilascio composti tossici ridotti. Temperatura accelera cinetiche di ossigenazione e deossigenazione e diminuisce Cs.

Eutrofizzazione

Abnorme proliferazione biomassa vegetale, inquinamento cronico laghi o bacini a debole ricambio dovuto a eccesso nutrienti portati a mare da apporti fluviali, acque diventano torbide e assumono colorazioni anomale a seconda di microalga prevalente con riduzione requisiti appetibilità e cattivi odori per processi degenerativi. Coinvolge pesca e indirettamente salute uomo che può venire avvelenato da fioriture algali tossiche. Mare Adriatico: zone delta Po e costa romagnola interessate a eutrofizzazione perché Adriatico poco profondo, no sufficienti ricambi per condizioni idrodinamiche, bacino riceve 70% attività industriali italiane.

Alghe

Costituiscono fitoplancton in tutti corpi d’acqua di superficie, organismi unicellulari autotrofi che si sviluppano per scissione con fotosintesi clorofilliana; necessitano 3 elementi, C, N, P, ma C non è mai fattore limitante perciò solo N e P causano problemi. Alimento per zooplancton, che è alimento per necton (pesci). Organismi morti decadono arricchendo bentos in cui attività batterica che libera Sali minerali con N e P che con circolazione acque arrivano in superficie alimentando fitoplancton e chiudendo catena.