Depurazione delle acque e contaminanti emergenti: impianti e nuove tecnologie

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1 Depurazione delle acque e contaminanti emergenti: impianti e nuove tecnologie Paola Verlicchi, Luigi Masotti Dipartimento di Ingegneria Francesco Dondi Dipartimento di Chimica Coordinatore Scientifico LARA Università di Ferrara Ferrara, 22 maggio

2 Argomenti Inquinanti emergenti nelle acque: cosa sono, quanti sono, da dove vengono, come si comportano, che problemi possono dare? Complessità dello studio: multidisciplinare, con problematiche varie Vincoli esistenti: legislazione Rimozione e degradazione Rimozione e degradazione: principi e applicazioni, analisi dello stato attuale, prospettive future, fattibilità tecnico ed economica di potenziali trattamenti 2

3 Tipologie di inquinanti Convenzionali Non convenzionali Emergenti Solidi sospesi totali Solidi colloidali BOD, COD, COT Ammoniaca, nitrati, nitriti, azoto totale Fosforo Batteri, cisti, oocisti di protozoi, virus Sostanze organiche refrattarie Composti organici volatili Tensioattivi Metalli Solidi disciolti totali Farmaci prescritti e non prescrivibili Prodotti per la cura e l igiene personale Antibiotici a uso umano e animale Interferenti endocrini Droghe illecite 3

4 Categorie di farmaci Antiflogistici (ibuprofene) Regolatori di lipidi (acido clofibrico) Antiepilettici (carbamazepina) Psicoattivi, tranquillanti (diazepam) ibuprofene diazepam Betabloccanti (sotalol) Antistaminici Citostatici carbamazepina Mezzi di contrasto (iopromide) Antibiotici (eritromicina) Ormoni (17α etinilestradiolo) eritromicina iopromide 4

5 Inquinanti di emergente interesse: proprietà chimico-fisiche IDROFILE Polarità LIPOFILICHE NDMA MTBE VOLATILE Composti perfluorinati Tossine algali Biocidi ammonio quaternario Funghicidi Esteri fosforici (benzotiazolo ) (ritardanti di fiamma) Fragranze Volatilità PBDEs Benzene, naftalene, sulfonati Prodotti farmaceutici Filtri UV Ormoni HBCD NON VOLATILE NDMA = nitroso dimethyl amine (prodotto disinfettante) MTBE = methyl-tert-butyl-ether (additivo per benzide) HCBD = hexabromocyclodecane (ritardante di fiamma) PBDE = polybrominated diphenyl ethers (ritardante di fiamma) 5

6 Alcune categorie di inquinanti emergenti Farmaci e prodotti per l igiene e la cura personale (PPCPs) Interferenti endocrini (EDC) Solidi disciolti totali: dimensioni molto piccole PPCPs Solidi disciolti totali EDC 6

7 Dimensioni dei principali parametri di inquinamento dimensione peso molecolare PPCPs EDC 7

8 Singole abitazioni Fonti principali di PPCPs Dilavamento dei terreni, allevamenti Scarichi ospedalieri Scarichi industriali Effluenti liquidi e solidi di impianti di depurazione Infiltrazioni da discariche 8

9 Macro e Micro Inquinanti: Limiti di rivelazione 1ppq 1ppt 1ppb 1ppm gl -1 1pgL -1 1ngL -1 1µgL -1 1mgL -1 Micro Inquinanti Macro Inquinanti Limiti di Rivelazione Richiesti (controllo Impianti) Limiti di Rivelazione attuali Acidi Sali Nutrienti Materia organica naturale 9

10 Concentrazione negli effluenti di impianti di depurazione IDROFILE Antibiotico fluoroquinolone Mezzi di contrasto iodurati Polarità a ph neut ro Antiflogistici, betabloccanti, regolatori di lipidi Antibiotici macrolidi, sulfonamide Carbamazepina Repellenti Tranquillanti Antisettici Estrogeni Fragranze LIFOFILICHE Range di concentrazione, µg/l 10

11 g/l mg/l µg/l Concentrazioni misurate effluenti di impianti di depurazione ng/l ambiente microgrammo/litro ng/l 1 BOD SS COD N P IPA Metalli pesanti PPCPs PPCPs ambiente PCB convenzionali non convenzionali emergenti 11

12 In Italia: (dati 2003) 1500 principi attivi 5000 specialità medicinali 8000 confezioni Categorie di farmaci Molti utilizzati in piccole quantità Molti metabolizzati nell uomo prima dell escrezione Molti rapidamente degradati nell ambiente Impossibile considerare tutti i farmaci per il monitoraggio e la valutazione di rischio 12

13 Legislazione in materia di acqua In Europa Direttiva Quadro Europea sulle Acque 2000/60/CE prevede il raggiungimento di uno stato chimico* buono entro il 2015 e suggerisce modalità di azione riguardanti la scelta delle sostanze prioritarie e gli interventi per la gestione dei bacini idrografici Decisione N. 2455/2001/CE stabilisce un elenco di sostanze prioritarie in materia di acque e modifica la direttiva 2000/60/CE In Italia D. Lgs 152/06 Richiama la direttiva e la decisione europea, individua all Allegato1, i parametri da controllare nelle acque superficiali per cui definisce gli standard (Tab. 1/A: BOD, COD, etc.) e i parametri aggiuntivi da monitorare nelle acque superficiali (Tab. 1/B: + tensioattivi, idrocarburi etc. ) i cui limiti di concentrazione saranno definiti con decreto del ministero dell ambiente (nel DM 367/03 erano previsti dei limiti provvisori) * Stato Chimico-Fisico-Biologico multiparametrico 13

14 Legislazione in materia di acqua I limiti per alcuni composti inorganici, idrocarburi alifatici clorurati sono stati ricavati dal D.Lgs. 31/01, acque destinate al consumo umano I limiti per gli IPA derivano dalla tabella del D.Lgs 152/06 relativa alla qualità delle acque destinate alla produzione di acqua potabile Di fatto i farmaci non sono attualmente compresi nelle liste delle sostanze prioritarie 14

15 Legislazione vigente per i composti farmaceutici EMEA (European Medicines Evaluation Agency) USO UMANO EMEA 2001 CPMP/SWP/4447/00 draft Discussion paper on environmental risk assessment of non-genetically modified organism(non-gmo) containing medicinal products for human use USO VETERINARIO EMEA 1997 EMEA/CVMP055/96 Environmental risk assessment for veterinary medicinal products other than GM-containing and immunological products EMEA 2003 CPMP/SWP/4447/00 draft Note for guidance on environmental risk assessment of medicinal products for human use EMEA 2000 CVMP/VICH/592/98 -final Guidelines for environmental impact assessment (EIAS) for veterinary medicinal products Phase I EMEA 2005 CPMP/SWP/4447/00 draft Guidelines on environmental risk assessment of medicinal products for human use EMEA 2005 CVMP/VICH /790/03 -final Guidelines for environmental impact assessment (EIAS) for veterinary medicinal products Phase II 15

16 INQUINANTI EMERGENTI E TECNOLOGIE PER IL DISINQUINAMENTO APPROCCIO CONCETTUALE Porte di iniezio ne MATR ICE + Plume ACQU A LABORATORIO LABORATORIO DI IDROGEOLOGIA LARA LABORATORIO SISTEMI IDRAULICI MONITORING & REMEDIATION LABORATORI DI ECOLOGIA ed ECOTOSSICOLOGIA I/O LABORATORI TECNOLOGIE FOTOCHIM. ELEC. BEAM etc LABORATORI DI CHIMICA ANALITICA INGEGNERIA SANITARIA 16

17 Problematiche Scelta dei composti chiave in quanto presenti, significativi e rappresentativi nelle acque reflue (e superficiali) Individuazione dei trattamenti di depurazione più appropriati: valutazione della fattibilità tecnica ed economica della scelta Sperimentazioni su impianti pilota e verifica delle previsioni Disponibilità delle strumentazioni sofisticate per le analisi Definizione delle metodiche analitiche Costi delle analisi 17

18 Livelli di intervento Fonte Riduzione dei consumi di PPCPs, modifica molecole (green pharmacy) Individuazione delle fonti principali e loro trattamento on site Miglioramento/potenziamento del trattamento di depurazione (linea acqua e linea fango) Impermeabilizzazione del fondo e della parete della discarica Emissione/Immissione Spostamento del punto di immissione dello scarico Immissione Potenziamento del trattamento di potabilizzazione 18

19 Trattabilità di un composto 19

20 Rimozione di un composto (emergente) Metabolismo microbico aerobico/anaerobico/anossico: degradazione, biologica, trasformazione del composto ad opera di reazioni cataboliche e anaboliche connessa al ciclo di vita dei microorganismi (specifici per quel determinato substrato) Metodi di distruzione comportano reazioni chimiche tra i composti (recalcitranti, persistenti) e particolari agenti chimici o fisici molto reattivi, molto energetici che eliminano/riducono la tossicità del composto originario. 20

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22 Trattamenti biologici: Sistemi in attuale sperimentazione- sviluppo. Gruppo Masotti Verlicchi, Ing. Fe liquame dai trattamenti preliminari sedimentazione effluente liquame dai trattamenti preliminari Sistema a fanghi attivi convenzionale fango di supero denitro nitro effluente fango di supero membrane denitro nitro Sistema MBR con membrane disposte all'interno della vasca a fanghi attivi Sistemi a massa sospesa Efficaci? Quanto? Si può ottimizzare/migliorare l efficienza? liquame dai trattamenti preliminari fango di supero denitro nitro effluente membrane E i sistemi a massa adesa? 22 Sistema MBR con membrane disposte all'esterno della vasca a fanghi attivi

23 Trattamenti terziari sotto indagine Laboratorio LARA OBIETTIVO: migliorare l efficienza di rimozione degli impianti di depurazione mediante l adozione di trattamenti terziari/dedicati Gruppo Prof. L.Masotti, P. Verlicchi, Dip. Ing. Fe. Sistemi tampone (fitodepurazione) Ozonazione Ossidazioni avanzate Fotocatalisi (UV), Prof. C.A. Bignozzi, Dip. Chimica, Fe. Filtrazione su membrane(mf, UF, OI, NF) Processo Fenton, Prof. A. De Battisti, Dip. Chimica, Fe Processi fotochimici (Electron Beam): Dr. S. Emmi, CNR, ISOF, Bo. Processi di Adsorbimento su zeoliti (Dr. L. Pasti, Dip. Chimica, Prof. A. Alberti. Dip. Geologia, Unife) 23

24 Trattamenti terziari Confronto qualitativo sui costi di investimento e gestione dei vari sistemi in fase di studio Costi investimento/gestione osmosi inversa e nanofiltrazione ossidazioni avanzate processo Fenton micro e ultrafiltrazione su membrane ozonazione UV fotochimici fitodepurazione Tecnologia adottata/testata 24

25 Trattamenti terziari Sviluppo previsto Tecnologie più promettenti secondo l ingegneria sanitaria ossidazioni avanzate fitodepurazione ozonazione micro e ultrafiltrazione su membrane UV fotochimici processo Fenton osmosi inversa e nanofiltrazione Tecnologia adottata/testata 25

26 Ringraziamenti Dottorati di Ricerca: Ing. Alessio Galletti Dip. Ingegneria, Unife Dott.ssa Giulia Basaglia - Dip. Chimica, Unife Finaziamenti OBIETTIVO 2 - LARA HERA Università di Ferrara 26

27 Migrazione di metolachlor nel suolo: costante di riparizione Idrogeologia Prof. T. Nanni, N. Colombani, M. Mastocicco Chimica Analitica - Prof. F. Dondi, Dott. L. Pasti