Riassunto ingegneria sanitaria e ambientale

Ciclo idrologico naturale dell’acqua

L'acqua si crea continuamente dalle reazioni chimiche. L'acqua evapora dagli oceani, forma le nuvole dalle quali l'acqua torna alla terra. Non è detto, tuttavia, che l'acqua segua il ciclo nell'ordine: prima di raggiungere gli oceani l'acqua può evaporare, condensare, precipitare e scorrere molte volte.

Evaporazione

L’evaporazione è il trasferimento dell'acqua da corpi idrici superficiali nell'atmosfera. Questo trasferimento implica un passaggio di stato dalla fase liquida alla fase vapore.

Condensazione

Per condensazione di solito intendiamo il passaggio dallo stato gassoso a quello liquido, ma nel ciclo idrologico sarebbe il vapore acqueo a raggiungere una certa altezza dove si trovano dei nuclei di condensazione che formano piccolissime particelle che a loro volta formano le nubi.

Precipitazione

La precipitazione è costituita da vapore acqueo che si è prima condensato sotto forma di nuvole e che cade sulla superficie terrestre. Questo avviene soprattutto sotto forma di pioggia, ma anche di neve, grandine, rugiada, brina o nebbia. Questo può essere definito come un fenomeno di coalescenza.

Infiltrazione

L'infiltrazione è la transizione dell'acqua dalla superficie alle acque sotterranee.

Scorrimento

Lo scorrimento include tutti i modi in cui l'acqua superficiale si muove in pendenza verso il mare. L'acqua che scorre nei torrenti e nei fiumi può stazionare nei laghi per un certo tempo. Non tutta l'acqua ritorna al mare per scorrimento; gran parte evapora prima di raggiungere il mare o un acquifero. L'acqua scorre sulla superficie terrestre più o meno velocemente e una parte di essa va nel sottosuolo e forma degli accumuli (es: tra un granello di terra e l'altro).

Accumuli

Questi prendono il nome di:

• Falde superficiali: hanno qualche metro di profondità, interagiscono con le strutture dell’uomo e sono molto inquinate.
• Falde profonde: le troviamo dopo lo strato impermeabile al di sotto delle falde superficiali, molto spesso l’acqua presente in queste falde è usata per bere. (Es: Varese nella falda abbiamo arsenico e per poterla bere dobbiamo toglierlo).

N.B. Di tutto questo ciclo dell’acqua noi possiamo berne solamente meno dell’1%.

Usi dell’acqua

N.B. l'acqua è una risorsa sempre più limitata a causa:

• Crescente utilizzo da parte dell’uomo in ambito:
• Civile: usato in casa, negozi, etc.
• Industriale: usata dalle industrie per processo lavorativo, raffreddamento, servizi generali.
• Agricolo: (ambito che usa più acqua) usata per l’irrigazione a spruzzo.

Crescente stato di inquinamento

• Civile: a causa della discarica non controllata di rifiuti (percolato).
• Industriale: a causa di gas acidi, polveri rilasciati dalle industrie creano piogge acide e altri contaminanti.
• Agricolo: a causa di fertilizzanti, pesticidi, erbicidi.

Tutta questa acqua inquinata finisce nelle acque reflue. Inquinamento è un’alterazione dell’ambiente, naturale o antropico. Consiste nell’inquinamento dell’acqua dei fiumi, laghi, mari derivante da liquami o rifiuti domestici, urbani, chimico-industriali o nucleari scaricati nell'ambiente.

Alterazioni naturali

In genere molto localizzate; (es: inquinamento da fenomeno eruttivo; inquinamento delle falde profonde).

Alterazioni antropiche

• Dirette: sversamento di rifiuti; sversamento liquami civili e industriali.
• Indirette: depositi di rifiuti; uso additivi in agricoltura (es: pesticidi, erbicidi); inquinamento atmosferico.

Fenomeni di Inquinamento

Inquinamento estetico-organolettico

Questa forma di inquinamento è determinata dalla presenza di solidi galleggianti, dalla colorazione delle acque e da emissioni odorose. Si può prevenire prevenendo altre forme di inquinamento.

Deossigenazione

Questa forma di inquinamento è determinata da un eccessivo consumo di ossigeno disciolto in acqua dovuto all’elevata presenza di sostanza organica biodegradabile. Effetti: pesci morti, acqua di colore scuro, odore causato dai batteri anaerobici.

Eutrofizzazione

Questa forma di inquinamento è determinata dalla “superconcimazione” delle acque ad opera di abbondanza di sostanze nutrienti (azoto e fosforo). Effetti: colorazione delle acqua; impoverimento del contenuto di ossigeno disciolto, scomparsa specie acquatiche. Ci sono degli interventi preventivi che sono: agricoltura sostenibile e depurazione. Inoltre ci sono dei metodi curativi: tirar su i sedimenti dal fondo; metter ossigeno nel lago; aspirare acqua profonda e metterla a valle del lago.

Inquinamento chimico

Questa forma di inquinamento è legata a fenomeni quali la tossicità, l’accumulo nei sistemi biologici e nei sedimenti e le trasformazioni biologiche con produzione di composti più dannosi. In poche parole questo inquinamento lo abbiamo quando scarichiamo un composto chimico in quantità sostenuta nelle acque. Alcuni inquinanti chimici esplicano:

• Un’azione rapida (tossicità acuta): troviamo l’ammoniaca, il cromo, cianuri (es: Romania usato il mercurio nelle miniere per estrarre l’oro; mentre in Australia il cianuro).
• Un’azione lenta (tossicità cronica): troviamo i detergenti anionici, fluoruri ed alcuni ioni metallici.

Inquinamento termico

Questo tipo di inquinamento è imputabile allo sversamento di acque di raffreddamento di origine industriale nei corpi idrici naturali. In poche parole questo inquinamento è dovuto alle centrali termoelettriche poste vicine a grandi quantità di acqua, perché il calore in eccesso entra nei tubi (scambiatori) e cede calore al corpo idrico e si scalda di qualche grado. Esistono dei limiti di legge in cui il riscaldamento ad una certa distanza non deve essere a più di 3°C.

Inquinamento microbiologico

Questo tipo di inquinamento è significativo per tutte le zone di balneazione o a mitilicoltura. Questo inquinamento è causato da: virus, uova, larve, microrganismi. In 1 litro di acqua ho 1 milione di microrganismi; se scarico nel lago dell’acqua depurata al 99% rimane sempre 1 milione di microrganismi che sono troppi se scaricati, quindi diluire l’acqua non basta per togliere quasi tutti i microrganismi. Se ho un eccesso di microrganismi ho un aumento % di agenti patogeni.

Caratteristiche qualitative delle acque

Parametri di qualità

Parametri fisici ed organolettici

Solidi totali: possono essere sia organici che inorganici. Per effettuare la misura di questi solidi ci si basa su processi evaporativi a 180°C: si porta il campione di liquame a secco e poi si procede alla pesatura del residuo. Per separare i solidi organici da quelli inorganici si porta il campione a 600°C per 1 ora, a questa temperatura la frazione organica si trasforma in CO₂, vapor acqueo e altri gas. Il residuo (detto fisso) è costituito dai solidi inorganici.

Si avrà quindi:

• Residuo a 180°C [mg/l] = Solidi totali
• Residuo a 600°C [mg/l] = Solidi totali inorganici
• Residuo a 180°C – Residuo a 600°C [mg/l] = Solidi totali organici

N.B. Alcuni soliti inorganici si decompongono a T<600°C liberando gas quindi:

• Residuo a 600°C = Solidi totali non volatili
• Residuo a 180°C – Residuo a 600°C = Solidi totali volatili.

Solidi sospesi

• Solidi sedimentabili: la misura di questi solidi viene effettuata in un cono Imhoff, il liquido viene mantenuto in condizioni statiche per 2 ore.
• Solidi non sedimentabili: la misura di questi solidi si basa sugli stessi principi, ma la determinazione dei residui è fatta precedere da una filtrazione del campione allo scopo di separare i solidi sospesi da quelli totali.

Solidi disciolti

La misura di questi solidi si basa sugli stessi principi, ma vengono analizzati i due residui relativamente al filtrato, ovvero alla fase liquida passata attraverso il filtro.

Torbidità

La torbidità è causata dalla presenza di solidi in sospensione. La misura è effettuata per via fotometrica (attraverso uno strumento chiamato nefelometro), si determina la % di luce che viene diffusa sulla perpendicolare del raggio incidente. Si effettuano comparazioni con soluzioni standard di torbidità ottenute con sospensione di silice o con sospensione di formazina. Unità di misura:

• Unità di silice
• Unità di formazina [F.T.U]: fattore di convenzione 0.13
• Unità Jackson [J.T.U]: fattore di convenzione 2.5

Colore

L’acqua pura è incolore; la colorazione può avvenire sia per cause naturali (residui vegetali in stato di decomposizione, giallo marrone) sia per cause antropiche (scarichi urbani e industriali). La misura è effettuata filtrando il campione e confrontandolo con soluzioni standard di Platino-Cobalto. Nel campo delle acque di rifiuto, si usa il metodo basato sul numero di soluzioni occorrenti per rendere il colore non più percettibile.

Odore e sapore

Possono essere causati sia da sostanze organiche (che incidono sia sul sapore che sul colore) che da sostanze inorganiche (che incidono prevalentemente sul sapore).

Metodi di misura

• Metodo cromatografico: ricerca analitica delle singole sostanze, se ben identificabili.
• Metodo del tasso di diluizione (TD): è basato sul numero di diluizioni del campione con acqua distillata necessarie per realizzare la scomparsa del fenomeno odoroso o di alterazione del sapore. Si definisce Tasso di diluizione TD il rapporto: TD= B/A dove B è il volume di acqua di diluizione priva di odore e A è il volume del campione di acqua.

Temperatura

Tale parametro influisce sulle cinetiche delle reazioni chimiche e biologiche, nonché sulla densità (Max densità 4°C).

Conducibilità elettrica specifica

Rappresenta una misura approssimativa dei solidi disciolti presenti in acqua. Si basa sulla capacità dell’acqua di condurre elettricità in funzione della forza ionica del mezzo acquoso [misura standard ad un T=20°C].

Parametri chimici e biologici

Domanda biologica di ossigeno (BOD)

Rappresenta una misura indiretta del contenuto di sostanza biodegradabile. È una misura indiretta perché viene determinato il quantitativo di ossigeno consumato dalla flora batterica, presente nell’acqua, per ossidare i composti biodegradabili. In poche parole non misuro la sostanza organica, ma sfrutto i microrganismi aerobici che mangiano la sostanza organica, per mangiare questa sostanza organica hanno bisogno di consumare l’ossigeno disciolto in acqua. In base all’ossigeno consumato determino quanto hanno mangiato i microrganismi. Il tempo di svolgimento della prova va dai 5 ai 20 giorni. Dopo 20 giorni il BOD residuo (B) di un liquame domestico risulta pari all’1% del BOD iniziale, mentre il consumo di ossigeno (C) risulta pari al 99% del BOD iniziale. È stata introdotta anche la misura del BOD dopo 5 giorni.

Metodi per la misura del BOD₅

• Metodo diretto: usato per le acque naturali. Si sottopone il campione ad insufflazione d’aria per circa 20 minuti fino alla saturazione; successivamente si pone il campione in 2 bottiglie da 300 ml, si effettua la misura dell’Od sulla prima bottiglia a t=0; si pone la seconda bottiglia in incubazione per 5 giorni a T=20°C e poi si effettua la misura dell’OD.
• Metodo per diluizione: usato per le acque di rifiuto. La procedura è analoga alla metodo diretto, ma qui occorre effettuare delle diluizioni del campione con acqua distillata addizionata di soluzione tampone a pH=7.2. La diluizione può precedere per l’aerazione del campione fino a saturazione oppure può avvenire successivamente all’aerazione dell’acqua di diluizione. Le diluizioni da fare oltre alla diluizione più centrata di regola se ne effettuano altre due.
• Metodo respirometrico: questo metodo si effettua attraverso un apparecchio chiamato respirometro dotato di un manometro differenziale collegato alla fase gassosa sovrastante il liquame e tenuto in un’incubatrice alla T=20°C; il campione viene posto in una bottiglia con chiusura ermetica e mantenuto in agitazione. La fornitura di ossigeno avviene attraverso lo scambio superficiale tra liquame e aria sovrastante; il consumo di ossigeno determina una depressione nel gas sovrastante rilevata dal manometro. Questo metodo consente di ricostruire l’intera curva del BOD, da cui si possono evidenziare eventuali anomalie dovute a scarso acclimatamento della flora batterica nei confronti del substrato.

Domanda chimica di ossigeno (COD)

Rappresenta una misura indiretta del contenuto totale di sostanza organica presente in un campione di acqua. È una misura indiretta perché il test misura il quantitativo di ossigeno chimico occorrente per l’ossidazione del campione d’acqua; per favorire l’ossidazione, la miscela campione-reattivo è tenuta in ebollizione per 2 ore ed è addizionato un catalizzatore (solfato di argento). Ossigeno chimico fornito da ossidante energetico (bicarbonato di potassio K₂Cr₂O₇).

Carbonio organico totale (TOC)

Rappresenta la misura del carbonio organico contenuto in un campione di acqua, il carbonio può essere sia in forma inorganica sia in forma di composti organici vari. Per misurarlo si effettua un test sulla base della combustione del campione ad alta temperatura T=950°C: l’acqua evapora e la sostanza organica viene ossidata a CO₂ e H₂O; dalla misura della CO₂ prodotta si risale al contenuto di C organico. La presenza di varie forme di carbonio inorganico provocano interferenze perché ad alte temperature rilasciano CO₂, quindi prima della combustione bisogna acidificare il campione e la CO₂ libera viene poi strippata in corrente di azoto.

Nutrienti

Sono gli elementi essenziali per lo sviluppo della vita acquatica in quanto costituenti delle cellule. I nutrienti principali sono i seguenti:

• Azoto: è presente nelle acque sotto forma di: ammoniaca, nitriti e nitrati.
• Fosforo: nei corpi idrici è prevalente la presenza di orto fosfati, ma trovo anche il fosforo organico. La quantità maggiore di fosforo è prodotta dalla formulazione dei detersivi. Il fosforo fa crescere le alghe nei corpi idrici. Provoca problemi ambientali.

Durezza

È data dalla concentrazione in acqua di ioni metallici multivalenti; è divisa in:

• Carbonatica: associata ai bicarbonati, dovuta alla presenza di ioni di calcio e magnesio, è detta anche durezza temporanea, sensibile alla temperatura oltre i 60°C precipitano il carbonato di Ca e l’idrossido di Mg.
• Non carbonatica: associata ad altri sali; è detta anche durezza permanente.

Alcalinità

È data dalla presenza di tutti i composti ad azione basica cioè carbonati, bicarbonati, idrossidi; composti che hanno la capacità di neutralizzare l’acidità conferendo all’acqua un potere tampone. La misurazione dell’alcalinità è effettuata per titolazione con un acido forte (solforico o cloridrico).

pH

Incide sugli equilibri chimici dell’ambiente acquatico; pertanto deve essere controllato e mantenuto nell’intorno della neutralità (pH= 6.5-8.5).

Altri composti chimici

Possono essere presenze naturali quali, sodio, calcio, magnesio, bicarbonato, solfato; ma possono anche essere composti di natura antropica come:

• Composti indesiderati: inorganici (ferro, zinco, ammoniaca, nitrati, nitriti, fosforo) e organici (fenoli, oli minerali, TOC, tensioattivi).
• Composti tossici: inorganici (arsenico, cadmio, cianuri, cromo, mercurio, nichel, piombo) e organici (PCT, PCB, erbicidi, funghicidi, pesticidi).

Parametri microbiologici

Batteri: microrganismi unicellulari che si riproducono per scissione binaria; possono essere:

• A bastoncino (bacilli).
• Sferici (cocci).
• A spirale (spirilla).

Virus: sono costituiti da DNA e sono parassiti “obbligati”, ovvero richiedono di essere ospitati in un altro organismo per sopravvivere.

Protozoi: rappresentano la più piccola forma di vita animale e sono unicellulari.

Tipi di fognature

Fognatura nera

Trasporta esclusivamente acque usate detta acque nere. Acque usate provengono da wc, impianti, lavaggi, solidi di sostanza organica e inorganica.

Fognatura pluviale

Trasporta acque di provenienza meteorica dette acque bianche o grigie. Acqua meteorica proviene da tombini, caditoie, pluviali.

Fognatura mista

Trasporta sia acque usate sia acque grigie. Quando non si ha una fognatura unitaria il sistema fognario viene detto a reti separate e si parla anche di fognature separate (una per le acque nere, una per le acque grigie).

Sfioratori

Sono utilizzati nelle fognature miste o separate. Servono per evitare il sovraccarico degli impianti di depurazione qualora avvengono intense o prolungate precipitazioni, hanno il compito di deviare una parte delle acque fognarie direttamente nel corpo idrico bypassando l’impianto di depurazione. Lo sfioratore viene applicato nelle fognature miste o separata prima del recapito al depuratore, una parte delle acque pluviali (prima pioggia) cioè quella scolata sui tetti e strade viene immessa nella fognatura nera o comunque portata al depuratore.

Abbiamo due tipi di sfioratori:

• Sfioratore di fondo: le acque nere in tempo asciutto escono solo dal fondo della condotta più grande, in tempo di pioggia le portate in ecc...