FENOMENI DI INQUINAMENTO DELLE ACQUE

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1 FENOMENI DI INQUINAMENTO DELLE ACQUE 1

2 TIPOLOGIE DI INQUINAMENTO Reflui e rifiuti urbani, industriali o agricoli possono dare luogo a diversi tipi di inquinamento: 1. Inquinamento estetico - organolettico; 2. Deossigenazione, 3. Eutrofizzazione 4. Inquinamento microbiologico; 5. Inquinamento chimico; 6. Inquinamento termico. 2

3 INQUINAMENTO ESTETICO ORGANOLETTICO Cause Sostanze galleggianti; Intorbidamento; Colorazione delle acque; Maleodorazione. Effetti Alterazione del valore paesaggistico; Diminuzione della fruibilità del corpo idrico; Effetti secondari (limitata penetrazione della luce, carente diffusione di ossigeno). 3

4 DEOSSIGENAZIONE DELLE ACQUE OSSIGENO DISCIOLTO IN ACQUA p = π x = H Legge di Henry C s p = pressione parziale dell O 2 nell aria π = pressione totale dell aria (1 atmosfera) x = frazione molare dell O 2 nell aria H = coeff. di Henry C s = concentrazione di saturazione dell O 2 in acqua 4

5 C s = f (T, p) A T cost, C s diminuisce all aumentare della salinità. Concentrazione di O 2 in acqua Per T = 4 25 C, C s ~ 10 mg/l Concentrazioni minime per la sopravvivenza della fauna ittica: 5 mg/l per specie ittiche pregiate (ex. Salmonidi); 4 mg/l per la maggior parte delle specie ittiche; 2 mg/l per le specie ittiche meno pregiate (ex. Ciprinidi). 5

6 BILANCIO DELL OSSIGENO O 2 = R 1 + R 2 + Z - S Fattori principali che incidono sul bilancio: R 1 consumo di O 2 operato dalla flora batterica per la degradazione del BOD; R 2 riossigenazione delle acque attraverso scambio diretto con l atmosfera; Fattori di minore rilevanza per il bilancio: Z produzione netta di O 2 per fotosintesi algale [kg/h]; S consumo di O 2 da parte del bentos [kg/h]. 6

7 EQUAZIONE DI BILANCIO x x + dx Q C R 1 R 2 S Z Q C + (dc/dx) dx Variazione del carico di O 2 tra la sezione x e la sezione x + dx + Somma algebrica dei termini di generazione/ scomparsa = Accumulo nel tempo del peso di ossigeno nell elemento dv (=A*dx) 7

8 CONSUMO BIOCHIMICO DELL OSSIGENO (R 1 ) L ossigeno è utilizzato dai batteri aerobi per la degradazione dei composti organici naturali. Un ulteriore apporto di BOD (sostanze organiche) determina un aumento dell attività batterica; se ne deduce che: Cinetica del consumo di O 2 I ordine Cinetica della rimozione del BOD 8

9 DEOSSIGENAZIONE BIOCHIMICA dc db r = = = K B = K B e dt dt K t C = concentrazione di O 2 ; B = concentrazione sostanza organica (BOD 5 ) B 0 = BOD 5 iniziale (per t = 0) K 1 = costante di deossigenazione t = x/v, dove x = spazio percorso e v = velocità media 9

10 Consumo di BOD (B) ed ossigeno (C) disciolto in un corso d acqua a seguito del solo fenomeno di deossigenazione biochimica Consumo O 2 Consumo BOD 10

11 DIFFUSIONE MOLECOLARE Nel bilancio è stato trascurato lo scambio di O 2 per diffusione molecolare; il flusso di massa viene calcolato in base alla seguente formula: = ϕ C D x Legge di diffusione di Fick ϕ = flusso di massa per diffusione molecolare [kg/mq h] D = coeff. di diffusione (molecolare + aggregati) C = concentrazione dell O 2 D molecolare = f (T, natura della materia, natura del mezzo) D aggregati = f (livello di turbolenza locale x) 11

12 FATTORI DI CONTROLLO Nella valutazione dello scambio di O 2 per diffusione molecolare è necessario tenere conto di alcune caratteristiche del corso d acqua che influiscono sul flusso di massa: Pendenza Zone morte Profondità turbolenza quiete minore scambio 12

13 RIOSSIGENAZIONE (R 2 ) Il trasporto dell ossigeno dalla fase gassosa alla fase liquida (ossigeno disciolto) è governato dall equazione del trasporto di massa: Q = KS ( C C) S Q = O 2 trasferito nell unità di tempo [kg/h] K = coefficiente di trasporto [m/h] S = superficie interfacciale di scambio gas/liquido [m 2 ] C s = concentrazione di saturazione dell O 2 in acqua [kg/m 3 ] C = concentrazione dell O 2 disciolto in acqua [kg/m 3 ] 13

14 PRODUZIONE NETTA PER FOTOSINTESI ALGALE (Z) Il termine Z è dato dalla differenza tra la produzione lorda P, dovuta alla fotosintesi, ed il consumo R, dovuto alla respirazione (Z = P R). I parametri che influenzano la produzione netta di O 2 sono: Intensità e durata dell irraggiamento solare Temperatura dell acqua Altezza media dell acqua (solo i primi cm sono interessati da intesa fotosintesi) 14

15 Andamento tipico dell ossigeno disciolto per effetto dell attività algale (fotosintesi e respirazione). Fotosintesi Respirazione 15

16 CONSUMO BENTONICO DELL O 2 (S) Sul letto di alcuni fiumi lenti si formano dei depositi che, per l intensa attività batterica aerobica che si sviluppa lungo l interfaccia acqua/deposito, esercitano una domanda di O 2. Questo termine ha, nella gran parte dei casi, un incidenza relativa. 16

17 MODELLO DI STREETER & PHELPS (America ~ 1930) Modello semplificato che tiene conto di due soli fattori: R 1 deossigenazione per consumo biochimico dell O 2 ; R 2 riossigenazione attraverso lo scambio diretto con l atmosfera. E si basa sulle seguenti ipotesi: d( CV) Condizioni stazionarie; Costanza della portata Q lungo la direzione del flusso; = 0 Scambi di O 2 per diffusione trascurabili. dt 17

18 EQUAZIONE DI STREETER & PHELPS () D t = K 2 K 1 K 1 B 0 e K v 1 x e K v 2 x + Dove D rappresenta il deficit dato da (C s C) D e 0 K v 2 x 1 deossigenazione 2 riossigenazione 2 riossigenazione impedita 3 curva a sacco 18

19 Comparazione della curva a sacco col limite di 5 mg/l di O 2 disciolto, necessario per la sopravvivenza ittica: a. Condizione accettabile b. Condizione inaccettabile per il tratto A-B c. Condizione inaccettabile per il tratto C-D, nel tratto E-F si manifesta una condizione anaerobica 19

20 1. Influenza della temperatura sull andamento della curva a sacco 2. Influenza di uno scarico termico sull andamento della curva a sacco e della curva del BOD 20

21 Andamento della curva a sacco e del BOD nel caso di tre scarichi organici in successione scarichi

22 EUTROFIZZAZIONE Manifestazione di inquinamento cronico dei bacini lacustri e di bacini idrici con debole ricambio (baie, lagune, ). CAUSA: eccessivo apporto di sostanze nutritive; Carbonio, Azoto e Fosforo, questi ultimi costituiscono i fattori limitanti perché il Carbonio è sempre presente in sovrabbondanza nelle acque naturali. Fosforo: assimilato dalle alghe solo come ortofosfato (PO 4 3- ); Azoto: assimilato sia come nitrato (NO 3- ), sia come ammonio (NH 4+ ); alcune alghe (blu/verdi) sono in grado di utilizzare l azoto atmosferico. 22

23 Catena alimentare Fito/zooplancton necton CO 2 + NO 3- + PO 4 3- bentos Il fitoplancton costituisce alimento per lo zooplancton, del quale si ciba il necton (pesci). Gli organismi indicati, al termine del loro ciclo vitale, decadono sul fondo arricchendo il bentos in cui si sviluppa l attività batterica, vengono così liberati sali minerali e nutrienti tra cui N e P che costituiscono alimento per il fitoplancton. 23

24 ECCESSIVO APPORTO DI NUTRIENTI Il ciclo alimentare diventa squilibrato quando si inseriscono degli apporti di nutrienti dall esterno, se il fenomeno diventa troppo intenso si generano degli effetti indesiderati: 1. Intorbidimento e colorazione delle acque (eccessiva crescita algale) - clorofilla; 2. Diminuzione del contenuto di O 2 disciolto in acqua per l intensa attività bentonica; 3. Scomparsa progressiva delle specie ittiche più pregiate, con conseguente incremento delle specie più resistenti alle cattive condizioni; 4. Formazione di zone anossiche in cui si instaurano dei processi anaerobi dai quali ha origine la formazione di sottoprodotti tossici (S 2-, CH 4, ) o maleodoranti (H 2 S, PH 3 ). 24

25 CLASSIFICAZIONE DEI LAGHI A seconda dell arricchimento in nutrienti (e conseguente produttività algale), i laghi sono così classificati: Lago oligotrofico: bassi livelli di nutrienti, quindi di alghe; Lago mesotrofico: presenza equilibrata di nutrienti; Lago distrofico: ricco di un nutriente e povero di un altro; Lago eutrofico: ricco di nutrienti e produttività algale. Esistono due classificazioni estreme: ultraoligotrofico ed ipertrofico. 25

26 STRATIFICAZIONE DEI LAGHI Il lago può essere suddiviso in tre zone distinte: Epilimnio: zona superiore; Termoclinio: zona intermedia con gradiente di 1 C ogni m; Ipolimnio: zona profonda. Le acque profonde (ipolimnio) sono caratterizzate da una temperatura costante pari a ca. 4 C; l epilimnio è invece soggetto alle fluttuazioni termiche esterne, si generano così dei fenomeni di stratificazione in inverno ed in estate. Durante il periodo primaverile l epilimnio tende a riscaldarsi e le sue acque si miscelano con quelle dell ipolimnio, lo stesso avviene in autunno, quando le acque dell epilimnio si raffreddano. 26

27 Fenomeni di stratificazione invernale e estiva e di ricircolazione primaverile ed autunnale. 27

28 Durante i periodi di ricircolazione le sostanze nutritive, presenti sul fondo del lago, vengono messe in circolo determinando la crescita del fitoplancton (fioriture algali). 28

29 CONTROLLO DELL EUTROFIZZAZIONE Per controllare l eutrofizzazione è necessario operare sui carichi nutrienti, siano essi già presenti nel lago o che vengano immessi tramite scarico. FOSFORO AZOTO Per il criterio del fattore limitante è sufficiente operare su un singolo nutriente, in genere si interviene sul fosforo, sia perché il carico di P associato alle acque di rifiuto è una quota rilevante, sia perché il P rappresenta il fattore limitante per la crescita algale. 29

30 BILANCIO DEI CARICHI DI FOSFORO CARICHI LOCALIZZATI Si tratta dei carichi associati alle acque reflue: 1. Liquami domestici Il P tot è costituito da fosforo organico (P-organico), ortofosfati (PO 4 3- ) e polifosfati (P x O x ). Prima dei provvedimenti legislativi del 92, che hanno limitato la presenza di P nei detersivi ad un max dell 1%, il carico di P nei liquami grezzi era di ca kg/ab anno, oggi questo valore si aggira intorno a kg/ab anno. La rimozione del fosforo negli impianti di depurazione meccanico-biologici ha le rese seguenti: dopo sedimentazione primaria 10% ca. dopo trattamenti meccanici-biologici 20% ca. 30

31 2. Liquami zootecnici La stima del carico di fosforo associato alle diverse tipologie di allevamenti è la seguente: equini 11.8 [kg P/capo anno] bovini 9.1 [kg P/capo anno] suini 5.6 [kg P/capo anno] ovini/caprini 1.5 [kg P/capo anno] polli 0.06 [kg P/capo anno] Il carico effettivamente destinato al corpo idrico dipende dalla quantità di deiezioni riutilizzata in agricoltura e dall efficienza del sistema di depurazione. 3. Liquami industriali L apporto di P da parte delle industrie è limitato, salvo particolari scarichi (industrie agro alimentari, distillerie, ) per cui la concentrazione è simile a quella dei reflui domestici. 31

32 CARICHI DIFFUSI Carichi determinati da fonti diffuse come piogge e terreni: 1. Pioggia: contribuisce col dilavamento del pulviscolo atmosferico sia naturale sia di origine industriale; 2. Residui organici naturali: vegetali in decadimento e deiezioni della fauna selvatica, hanno un modesto contributo; 3. Drenaggio di suolo non coltivato: il P (P-organico e apatite) viene ceduto in minima parte dal terreno a causa del dilavamento meteorico (ca. 0.1 kg/ha anno); 4. Drenaggio di suolo coltivato: la quantità di P rilasciato dai terreni coltivati può raggiungere 0.4 kg/ha anno; 5. Drenaggio di aree urbanizzate: il P presente sul suolo urbano deriva da residui organici animali e vegetali e/o da alcuni additivi presenti nelle benzine (solo in USA). Il carico stimato è pari a ~1 2 kg P/ha anno. 32

33 INTERVENTI PER LA LIMITAZIONE DEI CARICHI 1. Limitazione nei detersivi: il limite di concentrazione di P nei detersivi è stato fissato per legge all 1%; per i TPF (tripolifosfati) sono stati testati dei prodotti alternativi tipo zeoliti artificiali, citrato di sodio e NTA (acido nitrilotriacetico); 2. Razionalizzazione delle risorse agricole: si cerca di limitare l uso dei fertilizzanti chimici sostituendoli con le deiezioni animali, programmando una corretta concimazione dei terreni e utilizzando concimi a lento rilascio; 3. Pratiche alternative in zootecnia: attraverso un attenta gestione della risorsa acqua si riesce a ridurne il consumo e di conseguenza la quantità delle acque di rifiuto. 33

34 MODELLO DI WOLLENVEIDER Attraverso la curva di Wollenveider si riescono a stimare i carichi critici di P (L c ) note le caratteristiche del lago (q s ) ed i carichi di P alimentati. Z q s = T q s = carico idraulico superficiale, w Carico critico L c [g di P/m 2 anno] Z = altezza media delle acque del lago; T w = tempo medio di ricambio delle acque CONDIZIONI EUTROFICHE CONDIZIONI OLIGOTROFICHE Carico idraulico q s [m/anno] 34

35 TECNICHE DI RISANAMENTO TECNICHE DI PREVENZIONE Per evitare l eutrofizzazione dei laghi è necessario operare sui carichi di P apportati nel bacino, gli interventi possono interessare il singolo scarico e/o tutti gli scarichi. Operando sui singoli scarichi è possibile affrontare più rapidamente il problema attraverso la graduale realizzazione degli impianti. 35

36 La costruzione di un collettore circumlacuale richiede degli investimenti iniziali massicci, ha tuttavia il vantaggio di sottrarre l intero carico inquinante associato agli scarichi; inoltre si hanno maggiori benefici sui costi di esercizio e sull affidabilità dei controlli La soluzione adottata più di frequente è quella mista, in cui esistono tratti di collettore circumlacuale e scarichi con singoli impianti di depurazione. 36

37 TECNICHE DI CURA Nel caso in cui il lago si trovi già nello stato eutrofico è necessario operare degli interventi curativi, i tempi necessari per il ripristino dello stato di equilibrio sono molto lunghi a causa di: Tempo naturale di ricambio delle acque (alcuni anni); Rilascio di fosforo da parte dei sedimenti (grandi quantità di depositi bentonici). Per accelerare i tempi di recupero, si può operare attraverso: 1. Sifonamento ipolimnico Vengono drenate le acque ipolimniche che sono quelle più ricche essendo a contatto diretto con il bentos. L acqua drenata viene recapitata direttamente nell emissario tramite un sifone che, una volta attivato, si autoalimenta. Questo intervento richiede degli elevati costi d investimento e può alterare il bilancio idraulico del loco. 37

38 2. Dragaggio dei sedimenti di fondo Intervento più energico che incide sulla causa prima del fenomeno. Si asportano i primi cm di sedimento che sono quelli soggetti a trasformazione biologica. I sedimenti asportati devono essere disidratati e smaltiti correttamente (come fertilizzanti o direttamente in discarica). Questo metodo comporta delle difficoltà gestionali e la possibile alterazione dell equilibrio di vita del fondo (bentos). 3. Ossigenazione delle acque Questa tecnica agisce sull effetto dell eutrofizzazione (carenza di O 2 ) e non sulle cause. Si tratta di una tecnica complementare alle precedenti che permette di accelerare i tempi di recupero. L ossigenazione viene effettuata sia con aria, sia con O 2 puro e può interessare tutta la colonna d acqua (profondità del bacino limitata) o solo l ipolimnio. 38

39 L aerazione è limitata alla zona ipolimnica, con questo metodo si evita la destratificazione che avviene quando l ossigenazione interessa tutta la colonna d acqua. Oltre alla tecnica rappresentata in figura, si può aspirare l acuqa dal fondo, saturarla con O 2 e reimmeterla nell ipolimnio. 39