Controllo dell inquinamento delle acque superficiali Parte 2

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1 Controllo dell inquinamento delle acque superficiali Parte 2 Prof. Ing.. Leonardo Tognotti Dipartimento di Ingegneria Chimica, Università di Pisa Modello semplificato BOD-DO Per stime approssimate della variazione del DO in un fiume si può utilizzare un modello semplificato del fenomeno. Ipotesi: il consumo di ossigeno è dovuto principalmente all'azione dei microorganismi durante la biodegradazione; il suo ripristino avviene per fenomeni di areazione all'interfaccia acqua-aria; Politecnico di Torino Pagina 1 di 18

2 Modello semplificato BOD-DO (2) il materiale organico proviene da una sorgente continua, il fiume presenta condizioni omogenee in una sezione ortogonale al moto delle acque la dispersione trasversale dell'inquinante organico non è significativa Modello semplificato BOD-DO (3) La velocità di deossigenazione in ogni punto nel fiume si assume proporzionale all'ossigeno da consumare rimasto (MO( t ) r do = kd MOt = kd MO0 e -k k d :si assume di valore uguale alla k del BOD calcolata sperimentalmente per fiumi turbolenti il suo valore può essere significativamente più alto. d t Politecnico di Torino Pagina 2 di 18

3 Modello semplificato BOD-DO (4) La velocità di ossigenazione di un fiume si suppone proporzionale al suo deficit di ossigeno (D), differenza tra il DO a saturazione e il suo valore attuale nel fiume ro = k0 D D = ( DOS - DO) costante di ossigenazione k o : dipende dalle condizioni fluidodinamiche del fiume e dalla temperaturai Equazione di Streeter-Phelps L'andamento del fenomeno complessivo si può ricavare dalla combinazione dell'effetto di deossigenazione e di quello di ossigenazione,: dd -k t = k MO e d d 0 - k0d dt che ha soluzione k D= k d o MO -k 0 -k t -k t ( e -e d ) d + D e -k d 0 0 t Politecnico di Torino Pagina 3 di 18

4 t C Condizioni critiche punto e tempo in cui si raggiungono condizioni critiche,, con un minimo dell'ossigeno disciolto nelle acque: = k o 1 - k d ln x c =v t c k k o d Ø D ( k - 1- o k Œº kd MO0 0 d ) ø œß Curva di Streeter-Phels X=0 v X DO DO s D 0 DO min DO x c punto critico Politecnico di Torino Pagina 4 di 18

5 Inquinamento delle acque sotterranee Sommario Le acque sotterranee Moto delle acque sotterranee L inquinamento delle acque sotterranee Modelli di qualità Differenze rispetto al caso delle acque superficiali Politecnico di Torino Pagina 5 di 18

6 Le acque sotterranee L'acqua presente nel sottosuolo: fonte indiretta di approvvigionamento: le acque superficiali derivano da flussi di provenienza sotterranea. Le acque sotterranee A.s. localizzate principalmente in due zone al di sotto della superficie terrestre, la zona insatura,, in cui i pori fra i grani del terreno sono riempiti d'aria ed acqua, la zona satura in cui l'acqua occupa completamente gli interstizi del terreno Politecnico di Torino Pagina 6 di 18

7 Le acque sotterranee (2) La zona insatura contiene tre tipi di umidità: acqua di gravità, derivante dalle pioggie, che percola attraverso la zona maggiormente porosa. Le acque sotterranee (3) l'acqua capillare: : risiede e fluisce attraverso le zone con porosità capillari, assimilabile dalle piante. l'umidità igroscopica,, acqua trattenuta dal manto grazie a forze molecolari, rilasciata in condizioni climatiche che favoriscono la siccità. Politecnico di Torino Pagina 7 di 18

8 Moto delle acque sotterranee Zona insatura: i movimenti dell'acqua dovuti alla gravità e a differenze di pressione del fluido fra due zone adiacenti, I flussi massivi consistenti sono impediti: l'aria satura parzialmente i pori e l'acqua può muoversi solamente attraverso un film sottile che ricopre i grani. Moto delle acque sotterranee Zona satura: l'acqua riempie completamente gli interstizi e può così muoversi liberamente per effetto delle differenze di pressione. Politecnico di Torino Pagina 8 di 18

9 Superficie freatica La superficie freatica: la pressione idrostatica equivale la pressione atmosferica; la quota a cui l'acqua si accumula se viene ricavato un pozzo dalla superficie. Superficie freatica In caso di porosità caratterizzata da interstizi molto sottili: fenomeni di capillarità, l'acqua può risalire verso la zona insatura anche per tratti estesi. Politecnico di Torino Pagina 9 di 18

10 zona insatura bordo capillare superficie dell acqua sotterranea falda non confinata strato impermeabile Falde acquifere falda acquifera: : regione della zona satura che è permeabile sufficientemente da permettere il flusso delle acque; può essere racchiusa fra due strati impermeabili (falda( confinata) ) o da un unico strato (falda non confinata). Politecnico di Torino Pagina 10 di 18

11 L inquinamento delle acque sotterranee Le acque sotterranee possono essere contaminate: dal contatto diretto con sostanze inquinanti che vengono interrate nel sottosuolo o penetrano in profondità attraverso fenditure nei serbatoi L inquinamento delle acque sotterranee sorgenti civili (depositi di smaltimento di rifiuti urbani, acque di scarico di depuratori) fonti industriali (scorie di lavorazione, residui industriali). Politecnico di Torino Pagina 11 di 18

12 L inquinamento delle acque sotterranee dalle acque di percolazione, derivanti principalmente dalle piogge, che entrano in contatto con sostanze inquinanti e attraversando la zona insatura, raggiungendo la superficie freatica. L inquinamento delle acque sotterranee dall'attività agricola, in cui l'utilizzo diffuso di fertilizzanti e pesticidi crea delle zone contaminate che vengono attraversate dall'acqua di percolazione. Politecnico di Torino Pagina 12 di 18

13 Il moto delle acque Gradienti di altezze idrauliche, cioè variazioni di h con la distanza,misurata in direzione del flusso: legge di Darcy q = - k dh dx q: flusso [L/T] per unità di superficie e per unità di massa K: conduttività idraulica o coefficiente di permeabilità [L/T], Il moto delle acque Fenomeni di trasporto convettivo: si introduce la velocità effettiva nel mezzo considerato, data da dh - k v '= dx h h: porosità del mezzo, rapporto fra il volume di vuoto (lo spazio fra grani adiacenti riempito sia d'aria che d'acqua) e il volume del mezzo poroso. Politecnico di Torino Pagina 13 di 18

14 Permeabilità e porosità Materiale Conduttività idraulica (m/die) Porosità (%) Porosità effettiva (%) argilla sabbia ghiaia ghiaia e sabbia calcare granito La porosità effettiva è il volume d'acqua che può essere effettivamente estratto da un volume unitario del mezzo considerato Modelli di qualità delle acque sotterranee - 1 Sono utilizzati, in generale, modelli dinamici bidimensionali. Il sistema di equazioni che risulta si basa sul principio di conservazione della generica grandezza c i ed ha la forma ACCUMULO = INGRESSO - USCITA + GENERAZIONE Politecnico di Torino Pagina 14 di 18

15 Differenze rispetto al caso di acque superficiali Miscelamento nelle acque sotterranee: non è normalmente dominato dalla turbolenza, come nelle acque superficiali, a causa della bassa velocità del moto, ma da processi di agitazione meccanica, dovuti al flusso tortuoso delle acque nel mezzo poroso. Differenze rispetto al caso di acque superficiali I fenomeni di trasporto di massa diffusivi vengono ancora descritti dalla legge di Fick, in cui però il valore della diffusività è dato dalla somma della diffusività molecolare e di un coefficiente di dispersione per agitazione meccanica. Politecnico di Torino Pagina 15 di 18

16 Differenze rispetto al caso di acque superficiali Un inquinante in una falda acquifera non si muove con la stessa velocità delle acque sotterranee: subisce dei fenomeni di ritardo,, dovuti a processi di adsorbimento nel materiale poroso, e di dispersione e diffusione nelle direzioni perpendicolari al flusso. Differenze rispetto al caso di acque superficiali Andamento nel tempo della concentrazione di inquinanti nelle falde acquifere: risoluzione dell'equazione generale di convezione-diffusione- reazione utilizzando le opportune condizioni al contorno Politecnico di Torino Pagina 16 di 18

17 Degradazione delle sostanze organiche Sostanze organiche presenti nel sottosuolo: processi di biodegradazione ad opera di funghi e batteri, sia in condizioni aerobiche che anaerobiche, cinetica: semplici equazioni e deve essere inserita nell'equazione di convezione-diffusione-reazione Politecnico di Torino Pagina 17 di 18

18 0 60 m PCE CTET SL 30 m Profili di concentrazione di una soluzione salina (CL), di tetracloruro di carbonio (CTET) e di tetracloroetilene (PCE), 21 mesi dopo l'iniezione in una falda acquifera m PCE CTET SL 30 m Assumendo che la soluzione salina si muova alla stessa velocità delle acque sotterranee, si può notare come i due composti organici subiscano sensibili fenomeni di ritardo nel loro moto Politecnico di Torino Pagina 18 di 18