PARAMETRI CARATTERIZZANTI LA SOSTANZA ORGANICA
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- Abele Marchi
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1 PARAMETRI CARATTERIZZANTI LA SOSTANZA ORGANICA I liquami o il percolato da discarica sono costituiti da un miscuglio eterogeneo di composti quali carboidrati, grassi, proteine, ecc., per cui risulta evidente la necessità di stabilire dei parametri che diano una stima della totalità della sostanza organica presente. La valutazione della sostanza organica può essere fatta attraverso numerose determinazioni analitiche indirette, sia chimiche che biologiche, le più importanti delle quali sono: - Richiesta Teorica di Ossigeno (ThOD) - Richiesta Totale di Ossigeno (TOD) - Carbonio Organico Totale (TOC) - Richiesta Biochimica di Ossigeno (BOD) - Richiesta Chimica di Ossigeno (COD) ThOD (Theorerical Oxygen Demand) Questo parametro esprime la richiesta stechiometrica di ossigeno necessaria per l'ossidazione dei composti organici. La sua valutazione si basa sulla conoscenza della formula chimica di un composto organico considerando che tutto il C presente venga ossidato a CO 2 e tutto l'n sia ossidato a NO 3. E' evidente tuttavia che, in presenza di un numero elevato di composti, per poter ricavare il valore del ThOD occorrerebbe un'analisi chimica completa la cui complessità ed il cui costo sono tali da renderne assai raro l'impiego preferendosi altri parametri di valutazione di più agevole determinazione. Esempio: si voglia calcolare il ThOD per la glicina (CH 2 NH 2 COOH); gli stadi di ossidazione sono tre: a) carbonio ossidato a CO 2 e l'azoto a NH 3: CH 2 NH 2 COOH + 3/2 O 2 = NH 3 + 2CO 2 + H 2 O b) ammoniaca ossidata a nitrito: NH 3 + 3/2 O 2 = HNO 2 + H 2 O c) nitrito ossidato a nitrato: HNO 2 + 1/2 O 2 = HNO 3 Globalmente: CH 2 NH 2 COOH + 7/2 O 2 = 2CO 2 + 2H 2 O + HNO 3 Sono quindi necessari 7/2 moli di O 2 per ossidare una mole di glicina: ThOD =112 go 2 /mole glicina. TOD (Total Oxygen Demand) Questo parametro esprime la quantità di ossigeno necessaria per la combustione della sostanza organica. E' un metodo strumentale in cui le sostanze organiche e, in misura minore, quelle inorganiche sono convertite in prodotti finali stabili dopo combustione in apposita camera con catalizzatore al platino.
2 Il valore del TOD è determinato attraverso la registrazione del contenuto di ossigeno presente nel gas di trasporto e la sua misura può essere ottenuta rapidamente. TOC (Total Organic Carbon) Questo test è utilizzato soprattutto quando si è in presenza di basse concentrazioni di sostanza organica. Si valuta la quantità di CO 2 che si forma con la combustione della sostanza organica. La misura si ottiene per combustione ad alta temperatura: il carbonio organico si ossida a CO 2 e quest'ultima viene rilevata mediante un analizzatore all'infrarosso. Rispetto al parametro precedente si ha cura, tramite acidificazione ed aerazione del campione prima dell'analisi, di eliminare gli errori dovuti alla presenza di carbonio inorganico. Alcuni composti organici, tuttavia, possono non essere completamente ossidati per cui il valore di C ottenuto con questa analisi è sicuramente inferiore di quello realmente presente nel campione. BOD (Biochemical Oxygen Demand) Uno dei test più in uso nella valutazione del carico inquinante di un'acqua è sicuramente il BOD. In questa analisi si valuta la quantità di ossigeno richiesto affinché le sostanze organiche siano degradate biologicamente dai batteri aerobi presenti e quindi, indirettamente, è idonea a fornire una misura delle sostanze organiche nell'ipotesi che tanto maggiore è la concentrazione di queste ultime tanto maggiore sarà lo sviluppo dei microorganismi e conseguentemente anche il consumo di ossigeno necessario per la reazione biologica. Per questa analisi vengono riprodotti in laboratorio gli stessi fenomeni che si verificano in un corso d'acqua naturale non appena si immette uno scarico inquinante: all'atto dello sversamento prendono corpo i fenomeni di degradazione della sostanza organica ad opera della popolazione batterica ivi presente e che per tali reazioni, da cui trae energia e "materia" per la riproduzione, utilizza l'ossigeno presente nell'acqua; dalla diminuzione del tenore di ossigeno si può allora risalire alla quantità di inquinante organico sversato. Affinché la prova del BOD dia risultati significativi occorre tuttavia che siano soddisfatte diverse condizioni: - occorre verificare che nel campione non parta la reazione biologica degradativa prima dell'inizio dell'analisi nel laboratorio; - durante la prova dovranno essere garantite le condizioni ambientali adatte alla vita dei microorganismi ovvero assenza di sostanze tossiche e presenza di elementi nutrienti indispensabili per la crescita batterica quali azoto, fosforo ed altri oligoelementi; - infine occorre sempre sincerarsi che nel campione siano effettivamente presenti i ceppi batterici poiché, in caso contrario sarà necessario procedere ad un apposito inoculo. Il rispetto di queste ultime due condizioni non è un problema per liquami di tipo urbano ma lo diventa per gli effluenti industriali (come meglio si vedrà nel paragrafo successivo inerente l'analisi del COD nata appunto per aggirare queste difficoltà). Supponendo che nel campione considerato siano presenti dei ceppi batterici sufficientemente acclimatati, cioè pronti ad esplicare la loro azione degradativa e che sia presente un tenore di ossigeno disciolto sufficientemente alto (che potrebbe altrimenti
3 diventare un fattore limitante la crescita batterica e quindi inibente il procedere della reazione), i composti organici, attaccati dai batteri, subiscono una degradazione con formazione di composti quali la CO 2, H 2 O, NH 3, secondo la seguente reazione: CnHaObNc + (n+a/4-b/2-3/4c)o 2 = nco 2 + (a/2-3/2c)h 2 O + cnh 3 Parallelamente alla scomparsa della sostanza organica si verifica la scomparsa dell'ossigeno disciolto che ne rappresenterà, come già detto, una stima indiretta. Ogni reazione biologica è dipendente dalla temperatura per cui si è reso necessario, per standardizzare la prova, sceglierne un valore di riferimento = 20 C. Il completamento della reazione avviene dopo un tempo teoricamente infinito, è necessario pertanto stabilire dopo quanti giorni si può ritenere concluso il test: si è visto che circa il 99% della sostanza organica (S.O.) è completamente degradata dopo un periodo di 20 gg.. Tuttavia anche 20 gg. risultano un tempo troppo lungo per un'analisi di routine: si è scelto dunque di ritenere conclusa l'analisi dopo 5 gg. di prova, il che risulta un buon compromesso tra il tempo necessario per lo sviluppo della reazione e la possibilità che si instaurino certe interferenze negative che verranno analizzate nel seguito. Dire BOD 5 20 significa quindi considerare la "richiesta di ossigeno necessario per lo sviluppo della reazione biologica nei primi 5 gg di incubazione e con la temperatura mantenuta costante a 20 C". La reazione biochimica può approssimativamente essere considerata del primo ordine e cioè tale che la velocità della reazione risulti proporzionale alla quantità di S.O. biodegradabile presente nell'istante considerato. Di conseguenza la diminuzione della S.O. nel tempo può essere espressa nella forma: - dc/dt = k' C in cui il segno negativo è indicativo della diminuzione di concentrazione. Nel grafico di Figura 2.11 si riporta la curva della S.O. residua e quella, disegnata in grassetto, come S.O. consumata, complementare della precedente. Invece di ragionare in termini di S.O., si può considerare rispettivamente il BOD consumato e il BOD residuo. Per BOD residuo si intende la richiesta di ossigeno per il completamento della reazione: - dl/dt = k' L ed integrando si ha: L = L 0 e - k ' t = L kt (2.1) con k = k'/2,303 in cui L è il BOD residuo al tempo t ed L 0 il BOD residuo al tempo t=0 e cioè il BOD totale (ovvero la richiesta totale ancora da espletare).
4 Figura Curve della concentrazione di sostanza organica consumata e residua. La (2.1) indica che la quantità di inquinante rimasta, dopo un tempo t, è una frazione di L 0 corrispondente a 10 -kt ovvero che il BOD che deve essere ancora utilizzato è una percentuale di L 0 corrispondente a 10 - kt. Ragionando invece come BOD consumato Y, si ottiene: Y= L 0 - L = L 0 ( kt ) (2.2) e, nel caso del BOD 5, sarà: Y 5 = L 0 - L 5 = L 0 (1-10 5k ) Riportando in grafico la (2.1) e la (2.2), si ottiene il grafico riportato in Figura Il preciso andamento di queste curve sarà determinato dal valore della costante di reazione k che, per quanto detto in precedenza, dipende sia dalla temperatura che dal tipo di microorganismi presenti. Per liquame di tipo urbano si è trovato che il valore di k (in base 10 ed a 20 C) è uguale a 0,10 d - 1 e la sua variazione con la temperatura segue la relazione; dove: k = k 20 Θ (T-20) k 20 = valore di k a 20 C Θ = 1,056 per T=20 30 C 1,135 per T= 4 20 C Nella Figura 2.13 viene illustrata la variazione della curva del BOD consumato per valori di k crescenti. Figura Curve della concentrazione di BOD consumato e residuo.
5 BOD k Figura Variazione della curva del BOD consumato per valori di k crescenti. Valori maggiori della costante k spostano la curva del BOD verso l'alto indicando dunque una maggiore biodegradabilità del liquame: il parametro k viene chiamato "costante di biodegradabilità". Una volta noto il valore di k, si può ricavare il legame diretto tra il BOD a 5 giorni ed il BOD totale. L'equazione (2) può essere così riscritta: BOD = BOD tot (1-10) - kt In particolare per i liquami domestici a 20 C, si avrà: BOD 5 = BOD tot (1-10) - 0,1 5 = 0,684 BOD tot e dunque il BOD 5 rappresenta circa il 68% del BOD effettivamente presente in un liquame urbano. Allo stesso modo si può dimostrare che il BOD 20 è il 99% del BOD tot. Non è conveniente condurre l'analisi in meno di 5 gg.: si è notato infatti che sono necessari alcuni giorni per l'acclimatazione dei batteri: in caso di non buona acclimatazione si verifica una diminuzione dell'attività batterica che si ripercuote nell'andamento della curva, così come illustrato nella Figura Un'altra particolarità che si riscontra nella determinazione pratica del BOD è l'interferenza provocata dall'ossidazione dell'ammoniaca (Figura 2.15). BOD a t = curva teorica BOD5 a b = curva con cattiva acclimatazione batterica b 5 gg t Figura Influenza del periodo di acclimatazione batterica sull andamento della curva del consumo di BOD.
6 BOD b a = curva teorica BOD5 a b = curva con presenza di sostanza azotata 5 gg 10 gg t Figura Interferenza provocata dall'ossidazione dell'ammoniaca sull andamento della curva del consumo di BOD. Se infatti nel campione non è presente solo sostanza carboniosa (curva a) ma anche quella azotata (curva b), si assiste, dopo un certo periodo di tempo, ad un aumento del valore del BOD rispetto a quello teorico. Ciò è dovuto all'ossidazione dell'ammoniaca (processo di nitrificazione) che è stata prodotta dall'idrolisi delle proteine. Tale processo è provocato dalla presenza, accanto ai batteri eterotrofi che utilizzano la sostanza carboniosa, di batteri autotrofi capaci di utilizzare l'ossigeno per ossidare l'ammoniaca a nitriti e nitrati secondo le reazioni: 2NH 3 + 3O 2 = 2NO H + + 2H2 O 2NO 2 + O 2 + 2H + = 2NO H + Questa ulteriore richiesta di ossigeno provocata dalla sostanza azotata viene anche chiamata "BOD di secondo stadio" e si manifesta dopo circa 6 10 gg dall'inizio della reazione biologica: i batteri autotrofi, avendo una velocità di riproduzione assai più bassa di quella degli eterotrofi, hanno bisogno di quel periodo di tempo per raggiungere un numero tale di individui da richiedere una quantità di O 2 rilevabile. Riassumendo: si preferisce effettuare la valutazione del BOD dopo 5 gg per eliminare sia le interferenze provocate da una cattiva acclimatazione dei batteri sia le interferenze dei composti ammoniacali. Misura BOD La misura del BOD è basata sulla determinazione dell'ossigeno disciolto presente nel campione durante la reazione aerobica che si sviluppa ad opera dei batteri. La massima concentrazione di ossigeno in acqua pulita a 20 C è di 9,2 mg/l per cui sarà necessario fornire l'ossigeno libero dall'esterno per poter garantire costantemente nel campione delle condizioni aerobiche. A seconda delle modalità si hanno due metodi: quello chimico e quello respirometrico. Metodo Chimico Il procedimento consiste, nei casi più frequenti in cui il BOD è maggiore di circa 7 mg/l, nel diluire preventivamente il campione, con acqua distillata opportunamente preparata, in modo che il BOD della miscela scenda a valori inferiori a quello dell'ossigeno disciolto (O.D.) presente all'inizio della prova. Misurato dunque il valore
7 all'inizio del test (sarà assai vicino al valore di 9,2 mg/l), il campione viene posto in un contenitore ermeticamente chiuso e mantenuto in assenza d'aria e a 20 C per il tempo prefissato e cioè 5 gg. Alla fine del test si ripete la misura dell'o.d. ancora presente e dalla differenza con quello iniziale si deduce il consumo che si è verificato. Dal rapporto di diluizione si ricaverà il BOD del campione originario. Non conoscendo il valore iniziale di BOD, occorrerà procedere per tentativi preparando diversi campioni a differenti diluizioni in modo che in almeno uno di essi siano soddisfatte le seguenti condizioni: - il valore dell'o.d. non scenda mai a valori inferiori a 1 mg/l, per non inibire la crescita batterica; - il valore dell'ossigeno consumato sia almeno uguale a 2 mg/l ed in ogni caso sia compreso tra il 30 e l'85 % di quello originariamente presente, per una corretta determinazione analitica. Metodo respirometrico Il campione viene introdotto in una cella chiusa ed in presenza d'aria e viene mantenuto a 20 C e costantemente agitato. Man mano che si verificano le reazioni biologiche aerobiche, si verifica anche la solubilizzazione dell'ossigeno presente nell'aria sovrastante la qual cosa provoca una depressione nella medesima atmosfera. La misura dell'o 2 consumato può allora essere determinato indirettamente tramite la misura di tale depressione (respirometro di Warburg) o tramite la quantità di ossigeno che deve essere fornito dall'esterno per ristabilire la pressione iniziale (respirometro di Sierp). Affinché la misura sia attendibile è tuttavia necessario che la CO 2 emessa dalla respirazione batterica venga fissata (quindi eliminata). dall'atmosfera) tramite un composto alcalino (si utilizza l'idrossido di potassio KOH) altrimenti verrebbe alterata la misura della depressione. Rispetto al metodo chimico, il metodo respirometrico ha il vantaggio di permettere la rilevazione del valore del BOD in qualunque momento e, quindi, di permettere anche la determinazione della costante "k" ed il tracciamento della curva. Esempio: Calcolo della costante di biodegradabilità di un liquame a partire da dati sperimentali ottenuti con un respirometro. Si supponga di aver rilevato i valori di BOD riportati nella seguente tabella durante una prova respirometrica e si voglia determinare la costante di biodegradabilità: t (giorni) BOD (mg/l) Richiamando l'equazione: - dl/dt = k' L in cui L=BOD residuo al tempo t e volendola riscrivere in termini di Y=BOD consumato, si avrà: con L 0 =BOD tot ed Y = L 0 - L. Per ognuno degli n punti sperimentali si avrà: dy/dt = k' (L 0 - Y)
8 dy/dt = k' (L 0 - Y n ) (1) in cui sono incogniti sia k' che Lo. La quantità (dy/dt) rappresenta la pendenza della curva del BOD che dovrà essere dedotta a partire dai punti sperimentali (Y, t) per un dato valore di k' e di Lo. Interpretando il primo membro della (1) come valore ricavato dai punti sperimentali ed il secondo membro come valore ricavabile teoricamente se i punti seguissero perfettamente l'andamento di una reazione del 1 ordine, le due quantità non saranno perfettamente uguali ma differiranno di un valore che chiamiamo R. Riscrivendo pertanto la (1) in termini di R si avrà: R = k' (Lo - Y) - (dy/dt) = k' L 0 - k'y - Y' Chiamando con la lettera a il prodotto "k' Lo" e con -b la costante k', si ottiene: R = a + b Y - Y' Volendo che lo scarto R tra la pendenza della curva teorica e quella dedotta dai punti sperimentali sia il minimo possibile, occorrerà applicare il metodo dei minimi quadrati e dunque occorrerà soddisfare le due condizioni: Esplicitando i termini si ottiene il sistema: ΣR 2 /a=0 ΣR 2 /b=0 n a + bσy - ΣY' = 0 a Y + bσy - ΣY'Y = 0 dove: n = numero dei dati k' = - b (con log in base e) L 0 = -a/b Per risolvere l'esercizio, bisogna quindi costruirsi una tabella in cui siano riportati, oltre ai valori di t e di Y, anche i valori di Y 2, Y' e del prodotto Y'Y in modo da poter risolvere il sistema: t Y Y 2 Y ' Y ' Y ,5 49, ,75 46, , ,0 24 in cui la Y'=dY/dt è stata computata tramite il rapporto incrementale (Y 2 -Y 1 )/2 t. Si noterà che, come primo punto sperimentale per il calcolo di Y' è stato considerato il punto iniziale della prova (0,0) mentre l'ultimo punto (10,26) non è stato considerato ai fini della sommatoria perchè per esso non è possibile ricavare il corrispondente valore di Y'. Ciò significa che,in generale, se si hanno n punti sperimentali a disposizione è possibile utilizzarne solo "n - 2" ai fini del calcolo del sistema. Sostituendo i valori trovati nel sistema si ha: 4 a + 75 b = 0 75 a +150 b = 0 che risolto da: k' = -b = (giorni -1 ) in base e
9 e quindi in base 10: ed inoltre: k = (giorni -1 ) L o = -a/b = 27.7 mg/l Dato che il valore di k ottenuto è assai vicino al valore di 0.1 (giorni -1 ), si può dedurre che il liquame in esame ha caratteristiche prettamente urbane. COD (Chemical Oxygen Demand) Questo saggio ha assunto grande importanza a causa della scarsa significatività e della difficile riproduttività del BOD per certi tipi di liquami. Se infatti consideriamo dei liquami di origine industriale il valore del rapporto BOD 5 /BOD tot varia, in modo molto evidente, da liquame a liquame e di conseguenza il valore del BOD 5 da solo da un'informazione solo parziale e non ben collegabile al quantitativo totale della sostanza organica presente. Inoltre il liquame industriale può, a causa delle sue caratteristiche, non contenere una popolazione batterica in grado di metabolizzare la S.O. presente e quindi la misura del BOD risulta alterata. Per poter fare un'analisi del BOD è pertanto necessario procedere ad un insemenzamento di batteri (liquame domestico) e sarà comunque necessario del tempo (20 30 giorni) per l'acclimatazione dei ceppi batterici che si devono selezionare. Possono essere inoltre presenti sostanze tossiche che inibiscono l'azione e la vita batterica, oppure il liquame può essere carente degli elementi nutritivi (azoto e fosforo principalmente) necessari per la riproduzione batterica: anche in questi casi dall'analisi risulta l'assenza di sostanze organica biodegradabili mentre invece sono solamente impedite le condizioni di vita dei microorganismi responsabili della degradazione. Per ovviare a tutti questi inconvenienti è andato diffondendosi l'uso di misure chimiche per la determinazione della richiesta di ossigeno, per la cui procedura il tempo necessario è dell'ordine delle ore invece che dei giorni. Questo tipo di analisi si basa su una reazione di ossidazione chimica tramite un adatto reagente ossidante, dal cui consumo si può risalire al consumo di ossigeno ed indirettamente anche al tenore della sostanza organica. In realtà i composti suscettibili di ossidazione chimica sono di tipo sia inorganico (solfuri, sali di metalli con valenza inferiore, ecc.) sia organico e questi ultimi indipendentemente dalla loro biodegradabilità. Il valore di COD ottenuto, espresso anch'esso in termini di mg/l di O 2 consumato, è maggiore di quello ricavabile dal BOD sia per la presenza di qualche composto inorganico ma soprattutto per la maggiore capacità dell'ossidante chimico di degradare la sostanza organica anche quella più complessa che difficilmente verrebbe attaccata dai batteri (almeno in tempi brevi). Il reagente ossidante che, fino a poco tempo fa, era in uso è il permanganato di potassio; ora tale metodo è limitato alle sole acque di approvvigionamento per la sua incapacità di ossidare molti dei composti organici presenti in un'acqua di rifiuto. Oggi è in uso il metodo al bicromato di potassio (K 2 Cr 2 O 7 ) in quanto lo ione bicromato (Cr 2 O 7 ) 2- è un energico ossidante in soluzioni acide. La reazione che si
10 sviluppa mettendo a contatto il campione di liquame con la soluzione di bicromato acidificata (con ac.solforico) e mantenendola ad elevata temperatura con una sorgente termica esterna, è la seguente: CnHaOb + ccr 2 O cH + = nco 2 + (a+8c/2)h 2 O + 2cCr 3+ dove: c = 2n/3 + a/6 - b/3 con riduzione del bicromato a cromo trivalente. Per facilitare la reazione si dosa un catalizzatore (Ag 2 SO 4 ) ma può capitare che alcuni composti non riescano ugualmente ad ossidarsi, come gli idrocarburi aromatici e la piridina. Una interferenza da tenere sotto controllo è quella dei cloruri che normalmente sono presenti, sia nelle acque di approvvigionamento che di scarico, in elevate quantità. I cloruri infatti interferiscono con lo ione bicromato nel seguente modo: 6Cl - + Cr 2 O H + = 3Cl 2 + 2Cr H 2 O provocando un ulteriore consumo dell'agente ossidante. Questa interferenza può essere eliminata con l'aggiunta di solfato mercurico (HgSO 4 ) in quanto lo ione mercurico si combina con lo ione cloruro per formare il complesso cloruro di mercurio, difficilmente ionizzabile: Hg Cl - = HgCl 2 Un'altra interferenza è dovuta alla presenza di agenti riducenti, ma generalmente la loro quantità è relativamente bassa ed è tale da sconsigliare, nella maggioranza dei casi, l'uso delle procedure per il loro controllo. La procedura analitica prevede di operare con un eccesso di ossidante per avere la sicurezza che la sostanza organica sia completamente ossidata; quindi si misura la quantità residua di bicromato tramite titolazione con il solfato ferroso-ammonico in quanto lo ione ferroso può far svolgere la seguente reazione: 6Fe 2+ + Cr 2 O H + = 6Fe Cr H 2 O La fine della titolazione, cioè la scomparsa dello ione bicromato, è data dalla variazione di colore provocato dalla presenza di un adatto indicatore (la ferroina). Per il calcolo del COD occorre tuttavia procedere all'analisi del bianco: si analizza cioè con la stessa procedura una quantità di acqua distillata pari a quella del campione utilizzato. La differenza tra il consumo di titolante che si è verificato nel bianco e quello che si è verificato nell'analisi del campione si ricava il consumo di ossidante effettivo che viene espresso in termini di equivalenti di ossigeno. La formula per il calcolo del COD è la seguente: COD = ( A- B) N / ( ml di campione)
11 dove: A = ml di titolante consumato nel "bianco" B = ml di titolante consumato col campione N = normalità della soluzione di Fe(NH 4 ) 2 (SO 4 ) 2 8 = peso equivalente dell'ossigeno. Il prodotto (A-B) N fornisce gli equivalenti di titolante consumato nella reazione, moltiplicando tale quantità per il peso equivalente dell'ossigeno si ricavano i mg.di O 2 consumati che, divisi per i ml di campione e moltiplicati per il fattore 1000, risulteranno espressi in mg/l. Considerazioni conclusive Tra i diversi parametri che misurano la sostanza organica il loro valore numerico per un dato campione segue generalmente il seguente ordine: ThOD > TOD > COD > BOD5 > TOC La richiesta teorica é sempre la più alta mentre i valori dei parametri analitici risentono dell entità dell ossidazione applicata. Il TOC rappresenta il valore più basso perché espresso in termini di carbonio ossidato e non di ossigeno.
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