Appunti di Ingegneria sanitaria e ambientale

Comparto acque

Il 97% dell’acqua presente sul Pianeta è acqua salata e il restante 3% è acqua dolce, di cui il 70% è imprigionato nelle calotte polari e nei ghiacciai. La quantità di acqua usata varia in base alle zone, indicativamente abbiamo:

• 70% agricoltura
• 20% industria
• 10% uso domestico

Ciclo idrologico

La parte di acqua considerata “rinnovabile” fa parte del ciclo idrologico, cioè l’insieme dei flussi che trasportano l’acqua da un luogo di residenza all’altro e delle trasformazioni da uno stato fisico all’altro.

Parametri atmosferici

Esistono dei parametri atmosferici che regolano il ciclo, quindi è necessario analizzare i processi che portano l’acqua a spostarsi da un comparto all’altro. I parametri più importanti sono:

• Radiazione solare: quantità di calore emessa dal Sole, intercettata dalla Terra. Può essere diretta (quando arriva sulla superficie terrestre) oppure diffusa (quando è prodotta dall’atmosfera riscaldata).
• Temperatura: quantifica l’effetto del calore rimanente in atmosfera.
• Insolazione: numero di ore di presenza del Sole non oscurata.
• Pressione atmosferica: peso della colonna d’aria per unità di superficie, cioè la somma della pressione parziale dei gas presenti nell’atmosfera.
• Umidità: presenza di vapore acqueo in atmosfera.
• Vento: movimento di masse d’aria generato dalla differenza di pressione atmosferica tra punti diversi della superficie terrestre.
• Precipitazioni atmosferiche: aggregazione di aerosol originato dalla condensazione del vapore acqueo in atmosfera.

Processi del ciclo

Gli elementi fondamentali del ciclo sono:

• Precipitazione: costituita da vapore acqueo che si è condensato sotto forma di nuvole e che cade sulla superficie terrestre sotto forma di pioggia, neve, grandine o nebbia. Si misura in termini di intensità tramite l’altezza di pioggia.
• Evaporazione: trasferimento dell'acqua da corpi idrici superficiali nell'atmosfera tramite un passaggio di fase da liquido a vapore. Abbiamo anche il fenomeno della traspirazione (quando l’acqua è trasferita dalla terra all’atmosfera tramite le piante) e dell’evapotraspirazione (che è una combinazione di evaporazione e traspirazione).
• Intercettazione: precipitazione che rimane intrappolata nella vegetazione e che quindi non cade direttamente sul suolo. Avviene nella parte iniziale dell’evento piovoso, infatti la sua velocità tende rapidamente a zero.
• Infiltrazione: movimento dell’acqua dalla superficie al sottosuolo. Quando il suolo è completamente saturo, quindi si supera la capacità di infiltrazione del suolo, inizia il ruscellamento superficiale.
• Scorrimento superficiale: include tutti i modi in cui l’acqua si muove in superficie verso il mare, tenendo conto del fatto che gran parte dell’acqua che precipita evapora prima di raggiungere il mare o un acquifero.
• Deflusso sotterraneo: movimento dell’acqua all’interno della terra sia nelle zone insature, sia negli acquiferi.

Bilancio idrologico

- P: si ricava tramite pluviometri e pluviografi presso stazioni meteorologiche.

- ET: si misura con evaporimetri o si stima tramite dei modelli specifici.

- I e R: non possono essere misurati direttamente, ma possono essere calcolati tramite i coefficienti di infiltrazione potenziale dei litotipi propri del bacino.

Il bilancio idrologico del bacino ci serve anche per preservare l’acqua, perché passando da un anello all’altro del ciclo può contaminarsi. Le acque superficiali sono infatti costituite da sostanze in sospensione e microrganismi che possono trasmettere malattie, invece quelle sotterranee sono più ricche di sali e quindi per l’uso umano bisogna valutare queste caratteristiche.

Modificazioni del ciclo

Le cause principali sono:

• Naturali: ad esempio l’eruzione vulcanica provoca una contaminazione nell’atmosfera e quindi nelle acque meteoriche.
• Antropiche: l’attività dell’uomo influisce sia sulla qualità sia sulla disponibilità dell’acqua. Quest’ultima è connessa agli approvvigionamenti.

Parametri acque

Le acque possono essere caratterizzate tramite la determinazione analitica di parametri chimici, fisici e biologici.

Parametri chimici

I parametri chimici esprimono la concentrazione delle sostanze nel mezzo considerato. La concentrazione può essere espressa attraverso:

• Concentrazione di massa: peso/volume [mg/l] oppure peso/peso [ppm].
• Molarità: numero di moli per litro [mol/l] oppure numero di moli [peso/peso molecolare].
• Peso equivalente: basato sulla carica ionica (Peso molecolare/carica ionica), sulle reazioni acido-base (Peso molecolare/nH⁺ (o nOH^-)) oppure sulle reazioni redox (Peso molecolare/ne scambiati).
• Normalità: numero di equivalenti/l.

I parametri chimici si suddividono in:

Inorganici

Quelli fondamentali sono Sodio, Potassio, Calcio, Magnesio, Cloruri, Solfati, Carbonati, Bicarbonati, Silice e sono detti fondamentali perché derivano dalla solubilizzazione dei sali costituenti le rocce e il terreno. Altri parametri sono Nitriti, Nitrati, Ammonio, Fosforo, Ferro e Manganese. Vediamo quelli più importanti:

• Azoto: è uno dei costituenti delle proteine e quindi sempre presente in acque reflue, perciò il suo monitoraggio è molto importante. Può avere vari stati di ossidazione: ammoniaca, nitriti, nitrati e azoto organico. È un parametro caratterizzante ma anche di inquinamento (ad esempio l’ammoniaca). I nitriti e i nitrati (tossici anche a basse concentrazioni) sono indice di una contaminazione avvenuta già da un po’ di tempo perché significa che l’ammoniaca si è ossidata. Nell’analisi delle acque si fa riferimento a 2 tipi di azoto totale: TKN (azoto ammoniacale + azoto organico) e TN (TKN + azoto nitroso + azoto nitrico).
• Fosforo: può essere presente nelle acque come ortofosfato, polifosfati e fosforo organico. Non è particolarmente tossico, ma se presente in quantità eccessiva è il principale responsabile dell’eutrofizzazione.
• Ossigeno disciolto (OD): è fondamentale per la vita di flora e fauna acquatica. La concentrazione minima è circa a 10 mg al litro, in cui vivono le specie più pregiate. Si misura tramite gli ossimetri, composti da una sonda che viene immersa nell’acqua che in tempo reale mostra sul display il valore della concentrazione.
• Microinquinanti inorganici: sono principalmente cloruri, solfati e solfuri, metalli pesanti e composti bioaccumulabili (significa che il corpo non riesce a metabolizzarli perché non è geneticamente abituato all’esposizione, quindi non ha gli enzimi necessari per eliminarli).

Organici

Le sostanze organiche contenute nell’acqua sono tantissime e di varia origine, soprattutto antropica. Ad esempio, abbiamo:

• Tensioattivi: sono molecole organiche poco solubili in acqua e possono essere cationici o anionici. La loro presenza causa problemi tecnici e organolettici perché creano difficoltà alla sedimentazione, hanno odori sgradevoli e sono difficili da rimuovere.
• Fenoli: composti derivanti dal fenolo, sono principalmente presenti in acqua per cause antropiche e sono particolarmente tossici per gli animali.
• Oli grassi animali e vegetali: solo gliceridi che possono essere liquidi (oli) o solidi (grassi). Sono responsabili dell’alterazione degli scambi gassosi tra atmosfera e liquido, anche se non hanno problemi di tossicità diretta.
• Oli minerali: derivano dal petrolio e non hanno elevata tossicità, anche se conferiscono odore e sapore sgradevole.
• Solventi organici: comprendono composti di varia natura, sono poco biodegradabili e sono molto tossici o cancerogeni anche a basse concentrazioni.

Derivati

Sono dei parametri che non misurano direttamente la concentrazione di una o più specie ma ne derivano in modo diretto. Sono:

• pH: può assumere valori da 0 a 14 e per gli ambienti acquatici il valore ottimale corrisponde alla neutralità (pH=7). È un parametro fondamentale perché regola gli equilibri chimici in soluzione, regola le reazioni biologiche e determina le specie chimiche che si trovano in soluzione, inoltre influisce su alcuni trattamenti come coagulazione/flocculazione e la disinfezione. Si misura generalmente direttamente nella soluzione attraverso il pH-metro.
• Alcalinità: misura la capacità di neutralizzare un acido, dovuta alla presenza di carbonati, bicarbonati e idrossidi. Questi composti sono in grado di neutralizzare l’acidità e conferire all’acqua un “potere tampone”.
• Durezza: dovuta alla presenza di ioni di Calcio e Magnesio in soluzione. Si classifica in carbonatica e non carbonatica. Questo parametro conferisce all’acqua la tendenza ad incrostazioni dovute alla formazione di precipitati. In base alla durezza le acque si definiscono:

Misura delle sostanze organiche

Una caratteristica fondamentale di tutte le sostanze organiche è la quantità di ossigeno associata alla degradazione dello specifico composto. Il contenuto di sostanza organica viene espresso attraverso tre parametri:

• BOD (Domanda Biologica di Ossigeno): è una misura indiretta del contenuto di sostanza organica biodegradabile basata su un processo aerobico (cioè dovuto alla presenza di una certa concentrazione di OD in acqua) effettuato da una flora batterica già presente nel campione. Nel calcolo del BOD si ammette che la trasformazione avvenga con una cinetica del primo ordine, cioè che la velocità dipende dalla concentrazione di un solo reagente elevato ad un esponente pari ad 1. Il BOD totale corrisponde alla richiesta di ossigeno della sostanza organica inizialmente presente, pertanto esprime l’effettivo consumo di ossigeno necessario alla completa degradazione della sostanza organica. La misura del BOD richiede un tempo lungo, per questo motivo si è introdotta la misura del BOD₅, cioè la misura del BOD a 5 giorni in cui generalmente si assume:
• Metodo diretto: utilizzato soprattutto per acque naturali con BOD < 5 mg/l. Si porta a saturazione il campione mantenendolo a 20 °C per avere una condizione al contorno stabile e si trasferisce in due bottiglie da 300 ml evitando la formazione di bolle. Successivamente in una delle due bottiglie si misura il contenuto di ossigeno disciolto e l’altra si pone in termostato a 20°C al buio (per evitare la formazione di alghe) e dopo 5 giorni si legge sul tappo la quantità residua di ossigeno disciolto.
• Metodo per diluizione: è uguale a quello diretto, l’unica differenza è che si utilizza per BOD > 5 mg/l. Per mantenere la concentrazione di ossigeno disciolto di almeno 2 mg/l si fanno diverse diluizioni con acqua ossigenata, per cui la concentrazione finale è data dalla differenza delle concentrazioni.
• Metodo respirometrico: si pone il campione in una bottiglia a chiusura ermetica e si poggia su una piastra magnetica accendo l’agitatore magnetico per creare turbolenza. Si mantiene la bottiglia al buio per 5 giorni per la misura del BOD₅. I microrganismi consumano l’ossigeno che viene sottratto all’aria creando una depressione, che viene misurata tramite un manometro differenziale. Si risale al contenuto di ossigeno “mangiato” e quindi al contenuto di sostanza organica. Un’interferenza a questa misura può essere la CO₂ perché aumenta la pressione, per questo motivo si inserisce una sacca di potassa che la sottrae chimicamente dall’aria presente nella bottiglia.
• COD (Domanda Chimica di Ossigeno): è una misura indiretta del contenuto totale di sostanza organica presente in un campione. Si pone il campione in una bottiglia su una piastra riscaldante e si aggiunge un catalizzatore (solfato di argento) per velocizzare la reazione. Successivamente si misura il bicromato di potassio residuo dopo questa reazione e si risale al contenuto di sostanza organica inizialmente presente nel campione. È una misura precisa ma pericolosa per l’operatore perché contiene cromo esavalente in ebollizione. Con il tempo si è passati a un altro tipo di misurazione di tipo spettrofotometrica, basata sul fatto che un fascio di luce può essere assorbito più o meno facilmente in base a quanto è concentrata la soluzione attraversata. Dalla trasmittanza si può calcolare l’assorbanza, che è direttamente proporzionale alla concentrazione secondo la legge di Lambert-Beer.
• COD biodegradabile (bCOD): leggermente superiore al BOD poiché nella determinazione del BOD una piccola parte di sostanza organica viene trasformata in biomassa senza essere ossidata. In base alla rapidità con cui avviene la degradazione, il COD biodegradabile si divide in COD rapidamente biodegradabile (dovuto a molecole semplici) e in COD lentamente biodegradabile (dovuto a composti più complessi che necessitano di alcuni trattamenti per essere trasformati in molecole più semplici).
• COD non biodegradabile (nbCOD): dato dalla differenza tra COD totale e COD biodegradabile.
• TOC (Carbonio Organico Totale): la misura di questo parametro dura 15 minuti e consiste nel portare a combustione il campione per trasformare la sostanza organica in CO₂ che viene misurata da un analizzatore all’infrarosso. Si differenzia dagli altri due parametri perché è una misura diretta del contenuto di carbonio, non più di ossigeno.

Parametri fisici (parametri di qualità)

• Solidi totali, sospesi e disciolti: in base alle dimensioni si classificano come segue:
• Solidi totali: rappresentano il residuo in un crogiolo in seguito all’evaporazione del campione sottoposto a essicamento in una stufa a 104°-180°C. Per far evaporare l’acqua è sufficiente una temperatura di poco superiore a quella di ebollizione (104), ma solitamente si scaldano a 180 per far evaporare anche quella presente nei pori. Per determinare la frazione volatile dei solidi totali, il campione essiccato viene incenerito a 600°C: la frazione organica si converte in vapore acqueo, CO₂ e altri gas. Quindi i solidi totali non volatili sono dati dalla differenza tra la concentrazione dei solidi totali e la concentrazione dei solidi totali volatili.
• Solidi sospesi: si dividono in solidi sedimentabili e non sedimentabili (colloidi). I primi si differenziano da quelli non sedimentabili a seconda del tempo di decantazione nel cono di Imhoff (sedimentabili: <2h – non sedimentabili: >2h). Il cono di Imhoff è un cono di vetro graduato da 1000 ml in cui il liquido viene lasciato in condizioni statiche in modo tale che i sedimenti presenti all’interno di esso si depositino sul fondo. Il risultato si ottiene leggendo il volume di fango sedimentato espresso in mg/l di campione. I solidi sospesi si misurano sottoponendo il campione ad un processo di filtrazione in cui inizialmente si pesa il filtro “pulito” e, dopo aver fatto essiccare il campione, si pesa il filtro “sporco”. La differenza di peso dei due filtri rappresenta il contenuto di solidi sospesi. Per determinare la frazione volatile dei solidi sospesi si incenerisce il campione a 600°C (come solidi totali volatili).
• Solidi sospesi sedimentabili: particelle di dimensione > 10^-3 mm.
• Solidi sospesi non sedimentabili (colloidi): sono caratterizzati da una repulsione elettrostatica che si esercita tra le varie particelle, per effetto di cariche disposte sulla superficie, che impediscono l’aggregazione delle particelle e quindi la sedimentazione.
• Solidi disciolti: consistono di molecole o ioni di dimensioni < 10^-6 mm. Rappresentano tutte le sostanze non trattenute dal filtro e possono essere determinati dalla differenza tra solidi totali e solidi sospesi, sia per la frazione fissa e sia per quella volatile.
• Torbidità: proprietà connessa alla presenza di sostanze colloidali in sospensione che viene spesso misurata nelle acque naturali, poiché ad essa sono collegati alcuni effetti indesiderati quali gusto, odore (se i colloidi sono di natura organica) e scarsa limpidezza. Il primo metodo di misura della torbidità consiste nell’inserire il campione in un cilindro graduato posto sopra alla fiamma di una candela e nel leggere l’altezza della colonna che è sufficiente per far scomparire l’immagine della fiamma. Questo metodo è applicabile solo per torbidità superiori a 25 JTU (un’altezza pari a 21,5 cm corrisponde a 100 unità di torbidità di Jackson (JTU).
• Turbidimetria: per particelle in sospensione di dimensioni dell’ordine di μm.
• Nefelometria: per particelle di dimensioni inferiori.

Entrambi i metodi sfruttano l’assorbimento e la riflessione di raggi luminosi di determinata lunghezza d’onda, infatti quando una soluzione costituita da una fase dispersa in sospensione è attraversata da un fascio di luce, si hanno due effetti: il primo è un assorbimento della luce, il secondo è un fenomeno di riflessione e rifrazione detto “effetto Tyndall” in cui la luce viene diffusa dalle particelle in sospensione. Dalla quantità di luce assorbita si ricava la concentrazione di sostanza sospesa tramite la Legge di Lambert—Beer.

• Colore: dovuto alla presenza di ioni metallici (Ferro, Manganese, Rame), sostanze organiche o scarichi industriali. Si può misurare tramite tre metodi: il primo consiste nel confronto visivo con delle soluzioni colorate di riferimento aventi una concentrazione nota; il secondo, utilizzato soprattutto nel campo delle acque di rifiuto, consiste nel contare il numero di diluizioni con acqua distillata necessarie per re...