Acque superficiali. Parte 4 (13)

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1 Corso di: DINAMICA DEGLI INQUINANTI Acque superficiali Parte 4 (13) Università di Roma Tor Vergata Anno Accademico ing. Simona Berardi

2 ARGOMENTI TRATTATI: Inquinamento dei fiumi Bilancio dell ossigeno disciolto Deossigenazione

3 BILANCIO DELL OSSIGENO I fiumi, a differenza dei laghi, sono in genere caratterizzati da una maggiore turbolenza, fenomeno che favorisce l ossigenazione del corpo idrico e la diluizione degli inquinanti. La concentrazione a saturazione dell ossigeno C s temperatura e della pressione: nell acqua è funzione della La solubilità dell ossigeno disciolto in acqua diminuisce con l aumentare della temperatura, con l aumentare della concentrazione dei solidi disciolti e con il diminuire della pressione atmosferica. A T costante, 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).

4 BILANCIO DELL OSSIGENO Il fenomeno della deossigenazione dei corpi idrici è principalmente connesso ai due seguenti termini di bilancio (fattori principali): 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. I due termini sono tra loro in competizione, ovvero il secondo esercita un azione riequilibratrice del primo. La causa prima del fenomeno è il contenuto di BOD nelle acque (presenze naturali + apporti da liquami domestici ed industriali). Da ciò appare subito chiaro come i corpi idrici, su cui può maggiormente incidere il fenomeno della deossigenazione, sono le acque correnti, ovvero i fiumi. Viceversa nei laghi ed ancor più nel mare i liquami addotti hanno in genere a disposizione grosse masse d acqua entro cui si disperdono realizzando localmente concentrazioni di BOD trascurabili (al più nei laghi il fenomeno può presentarsi in termini evidenti solo nella zona ristretta intorno al punto di scarico). Fattori di minore rilevanza per il bilancio: Z: produzione netta di O 2 per fotosintesi e respirazione algale [kg/h]; S: consumo di O 2 da parte del bentos [kg/h]. Nel bilancio è stato trascurato il contributo dovuto alla diffusione molecolare.

5 BILANCIO DELL OSSIGENO L equazione di bilancio relativa ad un elemento di fiume di lunghezza dx e volume dv=a dx percorso da una portata costante Q risulta pertanto:

6 BILANCIO DELL OSSIGENO L equazione di bilancio risulta quindi essere: C : Concentrazione di ossigeno [mg/litro] In condizione di regime stazionario, l equazione di bilancio si semplifica: Nell espressione del bilancio è stato trascurato, perché pressoché ininfluente, lo scambio di ossigeno per diffusione molecolare attraverso le due sezioni x e x+dx.

7 DEOSSIGENAZIONE BIOCHIMICA R 1 : consumo di O 2 operato dalla flora batterica per la degradazione del BOD 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. In generale per descrivere la degradazione nel corso d acqua si assume una cinetica del primo ordine, per cui: R 1 = r dv 1 = dc dt dv = K Dove: R 1 [kg/h] K 1 : costante di degradazione (o costante di deossigenazione) [1/h] BOD 0 = BOD iniziale (t=0) [kg/m 3 ]; v = velocità media della corrente (t = x/v). La concentrazione di sostanza organica diminuisce nel tempo per effetto della biodegradazione 1 BOD dv = K 1 BOD 0 e K v 1 x dv

8 DEOSSIGENAZIONE BIOCHIMICA R 1 : consumo di O 2 operato dalla flora batterica per la degradazione del BOD Nella figura è rappresentato per un corso d acqua l andamento del BOD nello spazio e dell ossigeno disciolto, a seguito del solo fenomeno della deossigenazione biochimica. Sotto l ipotesi di diluizione istantanea ed uniforme dello scarico di BOD su tutta la sezione del corso d acqua. La costante cinetica K 1 dipende, oltre che dalla tipologia del liquame, dalla temperatura secondo l espressione: (K 1 aumenta all aumentare della temperatura)

9 RIOSSIGENAZIONE R 2 : riossigenazione delle acque attraverso scambio diretto con l atmosfera Il trasporto dell ossigeno dalla fase gassosa alla fase liquida (ossigeno disciolto) è governato dall equazione del trasporto di massa, per cui: Q = K S ( Cs C) = K S D Dove: Q = quantitativo di ossigeno 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 ossigeno in acqua [kg/m 3 ]; C = concentrazione dell ossigeno disciolto in acqua [kg/m 3 ]. Il deficit di ossigeno rispetto alla saturazione D = C s - C rappresenta la "forza motrice" del trasferimento di massa.

10 RIOSSIGENAZIONE R 2 : riossigenazione delle acque attraverso scambio diretto con l atmosfera Considerando un volume V [m 3 ] di liquido nel quale si trasferisce la portata Q di ossigeno, si ha il seguente bilancio: Q dc dc S = V = K S D = K D = K a D dt dt V R 2 dc = r2 dv = dv = K a D dv = K2 dt ove: S: superficie interfacciale di scambio gas/liquido [m 2 ]; K 2 = Ka = K S/V = coefficiente globale di scambio [h -1 ]; D dv

11 RIOSSIGENAZIONE R 2 : riossigenazione delle acque attraverso scambio diretto con l atmosfera K 2 dipende dalla temperatura, dalla natura di gas e liquido e dall estensione della superficie interfacciale (ovvero dall intima miscelazione e turbolenza). Il coefficiente K 2 è correlato alla temperatura dalla seguente relazione:

12 BILANCIO DELL OSSIGENO Z: produzione netta di O 2 per fotosintesi e respirazione algale [kg/h] 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 intensa fotosintesi) Andamento tipico dell ossigeno disciolto per effetto dell attività algale (fotosintesi e respirazione). S: consumo di O2 da parte dei sedimenti [kg/h]. Rappresenta la domanda di ossigeno da parte dei sedimenti, depositati sul letto del fiume, per la loro degradazione.

13 BILANCIO DELL OSSIGENO

14 Q dc dx dx = R 1 BILANCIO DELL OSSIGENO + R 2 = K 1 BOD dv + K DdV Matematicamente è conveniente risolvere l equazione differenziale in termini di deficit di ossigeno D: dd v dx K1 dc x v v 0 = + K 1 BOD0 e K dx = 2 0 D e K v 1 x 2 Questa disposizione risponde al modulo standard: dz + Az + B dx = 0 D(x)

15 DEOSSIGENAZIONE DELLE ACQUE Nella figura è data una rappresentazione grafica della curva, detta anche "curva a sacco" per la sua tipica conformazione oppure "curva di autodepurazione" giacché rappresenta nel suo complesso il fenomeno del consumo spontaneo del BOD apportato dallo scarico esterno. Nel grafico sono riportate anche le curve del BOD residuo e di consumo dell ossigeno a seguito del solo fenomeno biochimico (cioè assenza di ossigenazione)

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20 FINE