Università degli Studi di Napoli Federico II Scuola Politecnica e delle Scienze di Base Dipartimento di Ingegneria Civile, Edile e Ambientale Tesi di laurea triennale in Ingegneria per l Ambiente e il Territorio «Sottoprodotti della disinfezione mediante ozonizzazione nelle acque da potabilizzare» Relatore Candidata Prof. Ing. Giuseppe d Antonio Anna Esposito Correlatore Matr. N49/503 Prof. Ing. Massimiliano Fabbricino Anno Accademico 2014/2015 1
Lo scopo della tesi è stato quello di sintetizzare e illustrare i risultati di studi fatti sulla formazione di sottoprodotti derivanti dall uso di ozono per la disinfezione delle acque da potabilizzare e le tecniche più efficaci per ridurre la loro formazione. 2
Generalità del processo di ozonizzazione Disinfezione e ossidazione sono i principali scopi per cui viene applicata l ozonizzazione. La stabilità dell ozono in acqua dipende largamente da: -ph -alcalinità -contenuto di sostanza organica La caratteristica dell ozono è la sua parziale decomposizione nel radicale OH che è un fortissimo ossidante e tale processo è accelerato da: -un aumento del ph -aggiunta di perossido di idrogeno -raggi UV 3
L uso di gas cromatografo accoppiato con una spettrometria di massa per impatto elettronico e per ionizzazione chimica ha permesso di facilitare il riconoscimento di molti sottoprodotti formatisi nell acqua da potabilizzare rispetto ai comuni strumenti di analisi. Esempio di gas cromatografo accoppiato a un detector a spettrometria di massa con sistema di ionizzazione ad impatto elettronico 4
FORMAZIONE DI SOTTOPRODOTTI DELLE REAZIONI TRA O 3 E COMPOSTI INORGANICI Il composto che suscita maggiore preoccupazione è lo ione bromato BrO 3. La sua formazione include sei stati di ossidazione dello ione bromuro (Tabella 1): 5
FORMAZIONE DI SOTTOPRODOTTI DELLE REAZIONI TRA O 3 E COMPOSTI INORGANICI Si può stimare la frazione di Br - e di HOBr/OBr - che si ossida per mezzo dell ozono e dei radicali OH rispettivamente, se si conoscono però le loro concentrazioni durante il processo di ozonizzazione e quindi il rapporto Rc: Si può dire che solo per valori di Rc 10-7 una considerevole frazione di bromuro viene ossidato dai radicali OH, per più bassi valori di Rc la frazione di HOBr/OBr - ossidata mediante ozono può essere anche del 90%. In sintesi si può dire che il primo step dell ossidazione avviene tramite l ozono, il secondo step avviene per mezzo dei radicali OH e il terzo passo è una disproporzione e infine il quarto step è un ossidazione mediante ozono. 6
FORMAZIONE DI SOTTOPRODOTTI DELLE REAZIONI TRA O 3 E COMPOSTI ORGANICI L ozono può reagire con la sostanza organica in due modi: - Come molecola O 3 - Per mezzo di radicali liberi Poiché la materia umica proveniente da diverse fonti varia la sua composizione, ci si deve aspettare diversi sottoprodotti dell ozonizzazione. Inoltre poiché varie sostanze presenti nelle acque naturali, come carbonato, bicarbonato e metalli in tracce, possono influenzare processi chimici che coinvolgono dei radicali, la natura della reazione di ozonizzazione è molto dipendente dalle caratteristiche qualitative dell acqua a monte. 7
SOTTOPRODOTTI DERIVANTI DALL USO COMBINATO DI O 3 E COMPOSTI DEL CLORO Hoigné e Bader hanno mostrato che l ozonizzazione seguita dalla clorazione può portare ad una maggiore formazione di cloropicrina nota anche come nitrocloroformio. Mentre Jacangelo et al. ha mostrato che l ozonizzazione seguita sempre dalla clorazione porta ad un aumento di cloruro di cianogeno. Rilevante è inoltre la grande formazione di aldeidi che si ha quando l ozonizzazione è seguita da una disinfezione secondaria a base di cloro o di clorammine. Tuttavia un ciclo di trattamento che prevede una disinfezione primaria con ozono e una disinfezione secondaria con cloro o clorammine ha il grande vantaggio di ridurre la formazione di sottoprodotti alogenati. 8
SOTTOPRODOTTI DERIVANTI DALL USO COMBINATO DI O3 E COMPOSTI DEL CLORO 9
CONCLUSIONI Per risolvere il problema legato all eccessiva formazione di bromato sono stati testati vari trattamenti di cui solo due sono applicabili all acqua da potabilizzare: -aggiunta di ammoniaca -riduzione del ph. 10
Una volta che il bromato si è formato, è molto difficile la sua rimozione. La maggior parte della ricerca è incentrata sulla sua rimozione mediante filtrazione con carboni attivi, processi microbiologici o una filtrazione lenta su sabbia. L ozonizzazione è infatti spesso seguita da uno di questi processi per la rimozione dei composti organici biodegradabili. Altri processi come l uso di radiazioni ultraviolette o aggiunta di ferro pure sono oggetto di ricerca. 11
Filtri di sabbia e letti di tipo GAC offrono una superficie su cui i batteri possono crescere. Si forma quindi un biofilm che opera un processo di biodegradazione attraverso cui si eliminano i composti organici. Nel caso del GAC la rimozione di queste impurità può avvenire tramite adsorbimento o biodegradazione oppure in entrambi i modi. Esempio di biofiltro 12
Con una filtrazione biologica si riduce quasi del 50 % il contenuto di carbonio organico assimilabile. Inoltre acidi carbossilici che sono generalmente presenti in concentrazioni molto alte sono, in molte sperimentazioni, la classe di composti maggiormente rimossi dalla filtrazione biologica, infatti il range di rimozione varia tra il 45 e 90%. Per aldeidi e chetoni la rimozione è variabile tra il 35-95%. 13