Univ. Cattolica del S. Cuore Istituto di Chimica Agraria ed Ambientale Sez. Chimica Vegetale Caratterizzazione chimica dei fanghi di depurazione M. Nicelli, C. Bedeschi, R. Boccelli, E. Ottico, M. Trevisan Piacenza, 22 novembre 2005 Centro Studi Cassa di Risparmio di Parma e Piacenza Gruppo Intesa
Normativa di riferimento Delibera Giunta Regionale n 2773 del 30/12/2004 e successive modifiche (G.R. 14/2/2005, n. 285) Determinazioni del Direttore generale Ambiente e Difesa del Suolo e della Costa n. 11046 del 29/7/2005: Orientamenti tecnici inerenti le metodiche di analisi dei fanghi di depurazione utilizzati in agricoltura
Caratterizzazione dei fanghi Parametri chimico fisici Tabella A 1 ph Salinità (meq/100 g) Sost. Secca (residuo a 105 C) Indice SAR (se salinità > 50) Residuo secco a 550 C Grado di umificazione DH Metalli e non metalli Tabella A 2 Cadmio Cromo Totale Mercurio Nichel Piombo Rame Zinco Arsenico
Parametri agronomici Tabella A 3 Carbonio Organico Azoto totale Fosforo totale Caratteristiche microbiologiche Tabella A 4 Salmonelle
Composti/sostanze organiche persistenti Tabella B AOX LAS DEHP NPE composti alogenati comprendenti almeno lindano, endosulfan, tricloroetilene, tetracloroetilene, clorobenzeni alchilbenzensolfonato lineare di(2-etilesil)ftalato nolilfenolo e nolilfenolo mono e di etossilato PAH acenaftene, fenantrene, fluorene, fluorantene, pirene, benzo(b,j,k)fluorantene, benzo(a)pirene, benzo(g,h,i)perilene, indeno(1,2,3-c,d)pirene PCB 28, 52, 101, 118, 138, 153, 180 PCDD PCDF policlorodibenzodiossine policlorodibenzofurani
Risultati prima caratterizzazione Le analisi sono cominciate nel febbraio 2005 Per i parametri in tabella A sono stati analizzati 306 campioni Per i parametri in tabella B sono stati analizzati 196 campioni
Parametri chimico fisici Tabella A 1 mediana media d.s. Residuo secco 105 C (%) 17.9 19. 6 12.2 ph 7.3 8.0 3.9 Metalli e non metalli Tabella A 2 limite di legge Campioni fuori norma Mediana media d.s. Cr totale 1000 mg/kg ss 0 46 70 89 Cd 20 mg/kg ss 1 1.5 1.9 2.5 Ni 300 mg/kg ss 1 42 51 43 Pb 750 mg/kg ss 0 44 57 54 Cu 1000 mg/kg ss 2 292 303 179 Zn 2500 mg/kg ss 19 759 1126 1370 As 10 mg/kg ss 3 1.7 2.6 2.5 Hg 10 mg/kg ss 1 0.8 1.1 0.9
Parametri agronomici Tabella A 3 Carbonio organico totale limite di legge Campioni inferiori al limite minimo mediana media d.s. 20% 44 27.7 26.7 7.6 N totale Kjeldhal 1.5% 15 4.2 4.2 1.6 Caratteristiche microbiologiche Tabella A 4 limite di legge Campioni fuori norma Salmonelle in 1 g 1000 MPN 0 mediana media d.s. Nota: sempre assenti eccetto 6 casi, tutti al di sotto del limite di legge.
Composti/sostanze organiche persistenti Tabella B limite di legge Campioni fuori norma mediana media d.s. AOX * < 500 mg/kg ss 0 LAS** < 2600 mg/kg ss 35 146 1655 3015 DEHP < 100 mg/kg ss 2 7 15 34 NPE*** < 50 mg/kg ss 6 0.4 14 18 PAH < 6 mg/kg ss 2 0.3 0.7 1.6 PCB < 0.8 mg/kg ss 1 0 0.02 0.18 PCDD **** < 100 ngte/kg ss 0 PCDF **** < 100 ngte/kg ss 0 * = sempre < 40 mg/kg ss, escluso un caso con valore 90 mg/kg ss ** = sommatoria LAS classi C 10, C 11, C 12 e C 13 con relativi isomeri *** = come eq. 4 n-nonilfenolo **** = sempre < 20 ng TE/kg ss
Dati di letteratura LAS mg/kg ss NP mg/kg ss Autori 9,3-18,8 - Holt e Berstein, '92 4 (media) 1 (media) Brunner et al., '88 21200-39700 - Ruitz Bevia, '89 5000-15000 - Ruitz Bevia, '89-26-1100 Wahlberg et al., '89 50-5900 150-2200 Siegrist., '89 5200 (media) 1000 (media) Marcomini et al., '89 195-9160 7-375 Witte, '89 2900-11900 - McEvoy et al., '87-450-2530 Wahlberg et al., '89 (aerobici) - 80-310 Shaffner, '83 (anaerobici)
Commento risultati Su oltre 300 campioni: - 27 non risultano a norma per il contenuto di metalli (soprattutto Zn) - 44 non avevano un contenuto di Carbonio minimo - 15 non avevano un contenuto di Azoto minimo Su quasi 200 campioni: - 35 LAS oltre i limiti di legge - 2 DEHP oltre i limiti di legge - 6 eq 4-n-Npe oltre i limiti di legge - 2 PAH oltre i limiti di legge - 1 PCB oltre i limiti di legge
Problemi -Isomeri LAS e NPE -Mancanza di metodi convalidati per LAS e NPE -Campioni con sostanza secca < 5% -Rappresentatività del campione
Problemi -Isomeri LAS e NPE -Mancanza di metodi convalidati per LAS e NPE -Campioni con sostanza secca < 5% -Rappresentatività del campione
Problematiche identificative Possibili forme dei LAS: 6 classi: C 9, C 10, C 11, C 12, C 13, C 14, C 15 Complessivamente 33 isomeri identificati In commercio C 10 :C 11 :C 12 :C 13 =13:30:33:24 In acqua C 10 :C 11 :C 12 :C 13 =45:30:23:2 In fango C 10 :C 11 :C 12 :C 13 =7:24:39:30 22 possibili isomeri per ogni NP, NPE mono etossilato e NPE di etossilato
Tossicità media misurata in acqua (mg/l) dei LAS omologhi Invertebrati (Daphnia magna ) Pesci (Pimephales promelas ) Catena alchilica EC 50 NOEC LC 50 NOEC C 10 16,7 9,8 39,6 14 C 11 9,2-18,8 6,4 C 12 4,8 0,58 3,2 0,67 C 13 2,35 0,57 1,04 0,1 C 14 1,5 0,1 0,5 0,05 Decreto 6 novembre 2003, n. 367 sicurezza delle acque (GU n. 5 del 8-1-2004) 2008 (mg/l) 2015 (mg/l) Acque dolci lagune e Acque dolci lagune e Composto superf. marine superf. marine Nonilfenoli 0.3 0.03 0.03 0.003 4(para)-Nonilfenolo 0.01 0.006 0.001 0.0006
Problemi -Isomeri LAS e NPE - Mancanza di metodi convalidati per LAS e NPE - Campioni con sostanza secca < 5% - Rappresentatività del campione
Metodo estrazione LAS Pesata 10 g fango + 20 Na 2 So 4 Soxhlet 400 ml metanolo Evaporatore rotante concentrazione a 10 ml in metanolo Centrifugazione 5 min 2000 gir/min CH 3 (CH 2 ) n CH(CH 2 ) n CH 3 Purificazione con SPE-SAX SO 3 Na Eluizione con 10 ml metanolo:hcl 1% Centrifugazione 5 min 2000 gir/min Determinazione LAS con HPLC-MS
Analisi LAS HPLC-MS Caratteristiche strumentali Gradiente di flusso TIC Cromatogramma HPLC-MS Thermo Finnigan Surveyor MSQ plus Colonna Hypersil Gold C18 lunga 100 mm x 4,6 mm x 5µm Acquisizione dati in full scan ESI negativo e analisi dei dati in base al frammento rappresentativo e riconoscimento per confronto di spettro. Analisi singoli LAS C 10 C 11 C 12 C 13
Analisi LAS HPLC-MS Caratteristiche strumentali Gradiente di flusso TIC Cromatogramma Tempo (min) Flusso (ml/min) Acetonitrile (%) Acqua 0,1% ac Formico (%) 0.0 0.300 50.0 50.0 1.0 0.300 50.0 50.0 7.0 0.300 100.0 0.0 15.00 0.300 100.0 0.0 20.00 0.300 50.0 50.0 30.00 0.300 50.0 50.0 Analisi singoli LAS C 10 C 11 C 12 C 13
Analisi LAS HPLC-MS Caratteristiche strumentali Gradiente di flusso TIC Cromatogramma Analisi singoli LAS Analisi in SIM dal full scan C 10 = 297 m/z C 11 = 311 m/z C 12 = 325 m/z C 13 = 339 m/z C 10 C 11 C 12 C 13
Analisi LAS HPLC-MS Cromatogramma mix LAS 650 mg/l TIC e SIM per C 10, C 11, C 12 e C 13
Analisi LAS HPLC-MS
Convalida del metodo Recupero 70% Ripetibilità 20 % Limite di rivelabilità 10 mg/kg sul tal quale L intervallo di linearità va 10 a 650 mg/kg R 2 = 0.99
Metodo estrazione NPE Pesata 20 g fango + 40 g Na 2 So 4 Soxhlet 200 ml esano:acetone 4:1 Evaporatore rotante a secco 10 ml esano OH Centrifugazione Concentrazione in corrente d azoto fino a 1 ml (CH 2 ) 8 CH 3 Iniezione in GC-MS Ricerca NPE
Metodo analitico GC-MS multiresiduo Caratteristiche strumentali Programmata di temperatura TIC Cromatogramma Gc-Ms Agilent 5973n EI singolo quadrupolo Analisi NPE Colonna 5% polysilarylene 95% Polydimethylsiloxane 30m x 0,25 mm I.D. 0,25 µm fase legata Iniezione in splitless a 250 C Transfer line a 290 C Carrier gas He Acquisizione dati in full scan e analisi dei dati in base al frammento rappresentativo e riconoscimento per confronto di spettro.
Metodo analitico GC-MS multiresiduo Cromatogramma e spettro del 4-n-NP
Metodo analitico GC-MS multiresiduo Cromatogramma e spettro del mix 4-NPE mono etossilato
Metodo analitico GC-MS multiresiduo Cromatogramma e spettro del mix 4-NPE dietossilato
Metodo analitico GC-MS multiresiduo Cromatogramma e spettro di un campione
Recupero 85% Ripetibilità 20 % Convalida del metodo Limite di rivelabilità 0.05 mg/kg sul tal quale L intervallo di linearità va 0.05 a 80 mg/kg R 2 = 0.99
Problemi -Isomeri LAS e NPE -Mancanza di metodi convalidati per LAS e NPE -Campioni con sostanza secca < 5% -Rappresentatività del campione
Problematiche analitiche Con valori di sostanza secca < 5% risulta difficoltoso garantire la ripetibilità Con una ripetibilità analitica del 20% il possibile errore può essere del 400% Fanghi poco omogenei Rischio di variabilità dei risultati specialmente con bassi valori di sostanza secca
Proposte Identificare quali LAS e NPE sono pericolosi o quali di essi possono essere rappresentativi del potenziale rischio Ricalibrare i limiti di legge sulle sostanze individuate Organizzare circuiti interlaboratorio per convalidare i metodi Per fanghi a bassa sostanza secca esprimere il valore come tal quale e non su sostanza secca