Parametri chimici

Corso di Laurea in
Urbanistica e Pianificazione
Territoriale e Ambientale
Corso di ‘Ingegneria Sanitaria Ambientale’
PARAMETRI DI QUALITÀ
DELLE ACQUE
Docente: Ing. Riccardo Gori
I comparti ambientali
Comparti ambientali: acqua, aria, suolo.
I comparti ambientali vengono considerati separatamente in quanto
differiscono per tipologia di inquinanti, procedure di campionamento,
metodiche di analisi, limiti normativi…
Tuttavia, le naturali interazioni tra i comparti ambientali spesso
impongono di considerare le trasformazioni da una forma di
inquinamento a un’altra. La categorizzazione delle forme di
inquinamento all’interno di una struttura compartimentata
dell’ambiente spesso mal si presta alla descrizione della complessità
delle cause e degli effetti prodotti. E’ sempre opportuno avere una
visione ‘globale’ che tenga conto dell’effetto che le trasformazioni
all’interno di un certo comparto hanno su di un altro comparto
ambientale.
Caratteristiche generali
Le acque possono essere caratterizzate per mezzo della determinazione
analitica di parametri ricadenti in 3 differenti categorie:
• Chimici
• Fisici
• Microbiologici
Le metodiche analitiche di riferimento che possono essere adottate per
la caratterizzazione delle acque si ritrovano nei Metodi analitici per le
Acque pubblicati a cura dell’IRSA-CNR e negli Standard Methods for the
examination of Water and Wastewater pubblicati a cura di APHA e AWWA.
Caratteristiche chimici
I parametri chimici esprimono la concentrazione delle sostanze
nel mezzo considerato, a partire dagli ioni più comuni fino alle
più complesse sostanze organiche.
I parametri chimici possono essere suddivisi
in due grandi categorie:
INORGANICI e ORGANICI
Modi di esprimere la concentrazione
Concentrazione di massa:
peso/volume………..es. mg/l
peso/peso……………ppm
volume/volume………ppmV
ppm = parti per milione ppb = parti per miliardo
Molarità:
numero di moli/l
numero di moli = peso (gr)/peso molecolare
Peso Equivalente:
basato sulla carica ionica
basato sulle reazioni acido-base
basato sulle reazioni red-ox
Normalità: numero di equivalenti/l
Peso molecolare/carica ionica
Peso molecolare/n H+ o (n OH-)
Peso molecolare/n e- scambiati
Parametri chimici - Inorganici
Fondamentali: sodio (Na+), potassio (K+), calcio (Ca2+), magnesio (Mg2+),
cloruri (Cl-), solfati (SO42-), Carbonati (CO32-), Bicarbonati (HCO3-) silice
(SiO2). Sono detti fondamentali perché derivano dalla solubilizzazione dei
sali delle rocce e del terreno.
Altri:, Nitrati (NO3-), Nitriti (NO2-), Ammonio (NH4+), Fosforo (in pratica
PO43-), Ferro (Fe2+/3+), Manganese (Mn2+).
Parametri chimici - Inorganici
Nel caso di acque reflue, l’incremento di ioni minerali dovuto all’uso
civile, rispetto a quanto già presente nelle acque di approvvigionamento
è valutabile nei seguenti intervalli di concentrazioni:
La variabilità è da imputare, oltre ai diversi usi ed abitudini, soprattutto
alla quantità di acqua approvvigionata giornalmente per abitante.
Parametri chimici - Inorganici
L’azoto, essendo uno dei costituenti delle proteine, si trova, a vari livelli ed in
diversi stati di ossidazione, sia nei corpi idrici, che nelle acque reflue.
Rappresenta quindi tanto un parametro caratterizzante quanto un
parametro indice di inquinamento. I composti dell’azoto di interesse sono:
¾ Ammoniaca libera e salina (NH3 + NH4+) Þ (N3–)
Può essere di origine naturale, ma solo in falde profonde. Se presente nei corpi
idrici, è prevalentemente indice di inquinamento organico recente, dovuto
all’idrolisi delle proteine. Gli effetti negativi negli ambienti acquatici sono:
– tossicità diretta per la vita acquatica, soprattutto se in forma libera;
– può essere una delle cause dell’eutrofia;
– consumo di ossigeno nei corpi idrici per la nitrificazione biologica
(autodepurazione): 2 NH3 + 4,5×O2 Þ 2 NO3 + 3 H2O
Parametri chimici - Inorganici
¾ Azoto organico (solubile o particolato)
Composti proteici dell’azoto, in cui l’azoto risulta sempre ridotto (valenza: –3)
Þ si trasformano rapidamente in ammoniaca.
TKN = Total Kjeldal Nitrogen = Ammoniaca + azoto organico
¾ Nitrati e nitriti (NO3– e NO2–)
Composti ossidati dell’azoto (N5+, N3+), rappresentano negli ambienti naturali
uno stadio intermedio o finale dell’ossidazione dell’ammoniaca e costituiscono
pertanto un indice di inquinamento non recente. I nitriti sono tossici a
concentrazioni <1 mg/l, ma sono raramente presenti perché facilmente
ossidabili a nitrato o riducibili ad azoto molecolare (N2, valenza 0).
Nelle acque reflue i nitrati sono raramente presenti perché in fognatura si
riducono. I nitrati causano metaemoglobinemia nei bambini inferiori all’anno.
Parametri chimici - Inorganici
Elementi in traccia. Con questo termine vengono definiti gli elementi
contenuti nelle acque in quantità generalmente modesta che presentano un
comportamento analogo. Boro (B), cromo (Cr), cadmio (Cd), rame (Cu), nichel
(Ni), piombo (Pb), zinco (Zn), alluminio (Al), molibdeno (Mo), Vanadio (V),
arsenico (As), mercurio (Hg).
Molti di questi sono definiti metalli pesanti a causa della loro densità (> 5
gr/cm3).
Alcuni di questi risultano tossici: capacità di causare (in tempi più o meno
lunghi) danni all’organismo.
Parametri chimici - Inorganici
Ossigeno disciolto. È un parametro di fondamentale importanza per la
salute dei corpi idrici in quanto è legato alla vita degli organismi
superiori presenti in acqua.
Si misura solitamente per mezzo di apposite sonde (OSSIMETRI)
potenziometriche (si sfruttano i potenziali di reazioni red-ox)
e si esprime in mg O2/l.
La concentrazione a saturazione dell’ossigeno nell’acqua varia con la T: i
valori sono compresi tra 14 e 7,6 mg/l per T di 0 e 30 °C. A 20 °C la
concentrazione a saturazione è pari a 9.2 mg/l.
Parametri chimici - Organici
• Le sostanze organiche che possono essere contenute nell’acqua sono moltissime.
• Alcune possono essere di origine naturale (acidi umici e fulvici derivanti dalla
decomposizione della sostanza organica vegetale).
• La gran parte sono di origine antropica.
Le principali classi di composti sono:
Tensioattivi: sono molecole organiche di grandi dimensioni caratterizzate da una
scarsa solubilità in acqua; si tratta di un’ampia classe di sostanze che possono essere
suddivise in ionici (cationici o anionici) che si dissociano in acqua (denominati anche
MBAS, Methylene Blue Active Substances) e non ionici (denominati anche BiAS). La loro
presenza è causa di problemi di ordine tecnico perché creano difficoltà alla
sedimentazione ed agli scambi gassosi all’interfaccia liquido gas, e problemi
organolettici in quanto a basse concentrazioni (0.2 ppm) producono sapori sgradevoli.
Fenoli: sono i composti derivati dal fenolo. La loro presenza in acque superficiali è
certamente di origine antropica (mentre altrettanto non può dirsi nel caso di acque
profonde). I composti fenolici, sono caratterizzati da elevata tossicità nei confronti
delle specie animali.
Parametri chimici - Organici
Gli oli e i grassi animali e vegetali sono gliceridi; i gliceridi a basso peso molecolare
sono liquidi (oli), mentre quelli a elevato peso molecolare sono solidi (grassi). Gli oli
minerali sono costituiti da idrocarburi.
Oli minerali: sono tutti i derivati del petrolio (nafta, lubrificanti,…). Possono
ritrovarsi in acque superficiali (perdite). Non presentano elevata tossicità (a meno che
non siano presenti additivi). Conferiscono sapore e odore sgradevole.
Grassi animali e vegetali: hanno la caratteristica di alterare gli scambi gassosi tra
atmosfera e liquido; non presentano, tuttavia, problemi di tossicità diretta.
Solventi organici: si tratta di una classe che comprende un numero estremamente
elevato di composti di sintesi di varia natura. Si tratta solitamente di composti poco
biodegradabili e molto tossici già a concentrazioni molto basse (μg/l). Molti di questi
sono cancerogeni.
Parametri chimici - Organici
Non interessa quantificare la concentrazione di ciascuna delle
sostanze organiche presenti quanto determinare gli effetti a cui
queste, globalmente, danno luogo in sede di trattamento o di
sversamento nell’ambiente oppure i carbonio complessivamente
contenuto in queste sostanze organiche.
Una caratteristica molto importante delle sostanze organiche è la
quantità di ossigeno associata alla degradazione di quel composto
per via microbiologica.
Ecco perché il contenuto di sostanze organiche viene
solitamente espresso attraverso i parametri:
BOD
-
COD
-
TOC
Parametri chimici - Organici
BOD: acronimo di ‘Biochemical Oxygen Demand’.
Esprime la quantità di ossigeno necessaria ad ossidare biologicamente le sostanze
organiche contenute nell’acqua. Il BOD NON E’ UN COMPOSTO
INQUINANTE!
Materia organica + batteri + O2 → nuovi batteri + CO2 + H2O
Viene determinato secondo una metodica di analisi standardizzata.
Il parametro si misura in mg O2/l.
• frazione carboniosa e azotata
• possibili errori di interpretazione (effetto di inibizione da parte di sostanze tossiche
nei confronti del metabolismo batterico);
• il valore del BOD dipende anche dal tipo di sostanze presenti (difficile il
confronto tra acque diverse);
• determinazione lunga;
• importanza della temperatura.
Parametri chimici - Organici
Andamento nel tempo del
BOD ovvero della richiesta
di ossigeno.
Di solito ci si riferisce al BOD5 : quantitativo di ossigeno consumato in 5 giorni
alla temperatura costante di 20 °C.
Per liquami urbani si può assumere:
BOD5= 0.684·BODultimo
Parametri chimici - Organici
Parametri chimici - Organici
COD: acronimo di ‘Chemical Oxygen Demand’
Il suo valore, espresso in milligrammi di ossigeno per litro, rappresenta la
quantità di ossigeno necessaria per la completa ossidazione dei composti
organici ed inorganici presenti in un campione di acqua. Rappresenta quindi un
indice che misura il grado di inquinamento dell'acqua da parte di sostanze
ossidabili. Il COD NON E’ UN COMPOSTO INQUINANTE!
+6
CxHyOz +
Cr2O7–
+
H+
→
+3
CO3--
(reazione non bilanciata)
+ H2O + 2 Cr3+
Il metodo si basa sull‘ossidazione delle sostanze presenti in un campione
d'acqua, mediante una soluzione di bicromato di potassio in presenza di acido
solforico concentrato e di solfato di argento, come catalizzatore. La reazione idi
ossidazione viene condotta a 150°C per 2 ore. L'eccesso di dicromato viene
successivamente titolato. Tenendo conto che 1 mole di bicromato di
potassio consumata corrisponde a 1,5 moli di O2, si risale al consumo di
ossigeno del campione di acqua in esame. La metodica è standardizzata.
Parametri chimici - Organici
COD: acronimo di ‘Chemical Oxygen Demand’
Il parametro si misura in mg O2/l.
Vengono ossidate sostanze organiche ed inorganiche;
• per una certa acqua il COD è sempre maggiore del BOD;
• si elimina il problema della tossicità;
• le sostanze organiche non ossidate sono solamente quelle molto refrattarie;
• determinazione breve (2 ore);
• la reazione di ossidazione viene fatta avvenire a 150 °C.
Per liquami urbani: COD/BOD5=1.8 - 2.2
Parametri chimici - Organici
Aggiunta di un volume
noto di campione ad una
provetta contenente i
reagenti.
La provetta è messa per
2 ore in una piastra che
mantiene la T a 150 °C.
In seguito alle reazioni
di ossidazione la
soluzione si colora di
giallo.
Al termine si misura
per via spettrofotometrica
l’intensità della colorazione
sviluppata e si ricava il
valore del COD in mgO2/l.
Parametri chimici - Organici
TOC: acronimo di ‘Total Organic Carbon’.
Esprime la quantità totale di sostanze organiche contenute nell’acqua.
Il TOC NON E’ UN COMPOSTO INQUINANTE però da una misura globale
dell’inquinamento organico!
Reazione di combustione: Sostanza organica + O2 → CO2
Viene determinato misurando la CO2 che si forma dalla combustione delle sostanze
organiche. Le sostanze inorganiche non bruciano.
Il parametro si misura in mg di Carbonio Organico/l.
•
•
•
•
•
vengono determinate tutte e sole le sostanze organiche;
per una certa acqua il TOC è sempre maggiore del BOD;
si elimina il problema della tossicità;
determinazione breve;
determinazione molto costosa; non viene effettuata di routine come le precedenti.
Parametri chimici derivati - pH
Sono quei parametri che non misurano direttamente la concentrazione di
una o più specie ma ne derivano in modo diretto.
pH
E’ definito come il cologaritmo della concentrazione idrogenionica in
soluzione:
pH = - log [H+].
E’ un parametro fondamentale perché:
• regola tutti gli equilibri chimici in soluzione;
• regola le reazioni biologiche;
• determina le specie chimiche che si trovano in soluzione.
Ha un campo di variazione tra 0 e 14 e si esprime in unità di pH:
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Ambiente acido
9
10
11
12
13
Ambiente basico
Neutralità
14
Parametri chimici derivati - pH
Esempio di influenza del
pH sugli equilibri
in soluzione: caso delle
specie
CARBONATICHE
Si misura in modo veloce utilizzando una coppia di elettrodi (elettrodo
di riferimento e elettrodo a idrogeno).
Parametri chimici derivati - Alcalinità
Alcalinità. E’ definita come la capacità di neutralizzare le specie acide
ed è dovuta alla presenza di ioni carbonato CO3--, ioni bicarbonato
HCO3- e ioni ossidrili OH-. La presenza di ioni OH- (dovuti alla
dissociazione degli idrossidi) comporta la capacità di neutralizzare acidi.
I carbonati ed i bicarbonati, disciolti in acqua, ricostituiscono l’acido
carbonico debole (poco dissociato) e la base forte (molto dissociata e
quindi capace di liberare significative quantità di ioni OH-).
Un’acqua con elevata alcalinità riuscirà a tamponare le variazioni di pH
conseguenti all’aggiunta di acidi.
Alcalinità: [HCO3- ] + 2 [CO3- -] + [OH- ]
[ ]: concentrazioni molari
Risultato espresso in eq/l. Per il risultato in mg/l si moltiplica per 50
(peso equivalente di CaCO3).
Parametri chimici derivati - Alcalinità
Si determina per titolazione e si esprime in mg CaCO3 /l o in meq
CaCO3 /l.
L’alcalinità si esprime convenzionalmente in mg CaCO3/l e si misura
per titolazione, dosando un acido forte che reagisce via via con gli ioni
che determinano l’alcalinità:
a pH > 8,3 possono esistere in un’acqua sia ioni idrossido che ioni
carbonato, ma non ioni bicarbonato.
a pH < 8,3 possono esistere solo ioni bicarbonato (di fatto nelle acque
naturali vi sono quasi solo bicarbonati).
a pH < 4,5 tutti i bicarbonati sono stati salificati e l’alcalinità dell’acqua
è scomparsa.
Si esclude, nella pratica, la contemporanea presenza di ioni OH- e
HCO3-.
Parametri chimici derivati - Durezza
DUREZZA: somma delle concentrazioni dei cationi metallici (no alcalini e idrogeno).
In pratica è data dalla concentrazione degli ioni Calcio e Magnesio.
Si determina per titolazione dei due cationi o anche diretta.
Durezza (°F) = Ca++ (mg/l)/4 + Mg++ (mg/l)/2,43
La durezza si esprime in GRADI FRANCESI (°F) o in mg/l CaCO3
(1 °F = 10 mg/l CaCO3 ).
In base alla durezza le acque si definiscono:
0
5
Dolci
10
15
20
Medie
25
30
35
Dure
40
45
50
Molto dure
Tendenza delle acque dure a causare incrostazioni in seguito alla formazione di
precipitati (carbonato di calcio CaCO3 e idrossido di magnesio Mg(OH)2).
Parametri fisici - Temperatura
• Influenza le reazioni chimiche (sia in termini di cinteica che
di equilibrio);
• Influenza le reazioni biologiche;
• Influenza la solubilità dei gas (OSSIGENO);
•Influenza le condizioni di vita delle specie biotiche.
Si misura con i termometri.
Si esprime in °C.
Parametri fisici - Conducibilità
La conducibilità rappresenta la capacità di una soluzione di condurre corrente
elettrica.
Il passaggio di corrente attraverso una soluzione richiede la presenza di ioni per
cui la conducibilità rappresenta una misura indiretta del contenuto salino.
Si parla di conducibilità specifica o conduttanza nel caso della conducibilità
di un volume unitario di soluzione.
Si misura mediante apparecchi detti conduttimetri e si esprime solitamente in μS/cm .
E’ un parametro dipendente dalla Temperatura: all’aumentare della temperatura
aumenta la conducibilità. Di norma si misura alla T di 25°C altrimenti è bene
riportare il valore a cui è fatta la misura.
RESIDUO FISSO. La conducibilità è legata al contenuto di solidi disciolti totali
(TDS) che si esprime di fatto con il RESIDUO FISSO: tutto ciò che rimane dopo aver
fatto evaporare un volume noto di acqua e riscaldato il tutto a 105 o 180°C.
Per le acque naturali approssimativamente si ha: TDS (mg/l) = 0,64 · ECw (μS/cm)
Parametri fisici - Conducibilità
Strumento per
misure on-line
Portatile
Parametri fisici- I solidi
SOLIDI. La prima classificazione può essere fatta sulla base di un criterio
dimensionale.
Questa proprietà si traduce anche in diverse modalità di separazione solido-liquido.
Ad esempio ai fini pratici solamente le particelle che hanno dimensioni
sufficientemente elevate possono essere rimosse in pratica per mezzo di un processo
di sedimentazione. Particelle di dimensioni ‘troppo piccole’ hanno velocità di
deposizione che la loro sedimentazione potrebbe richiederebbe tempi dell’oridine dei
giorni o mesi.
Filtrabili
Disciolti
μm
10-5
Dimensione
delle particelle mm
10-8
Non filtrabili
Colloidali
Sospesi
10-4
10-3
10-2
10-1
1
10
100
10-7
10-6
10-5
10-4
10-3
10-2
10-1
Rimovibili per coagulazione
Rimovibili per
Sedimentazione
Parametri fisici- I solidi
CONTENUTO DI SOLIDI. I solidi presenti in un’acqua possono essere suddivisi
Secondo il seguente schema.
Campione
Cono Imhoff
Solidi
sedimentabili
Solidi
filtrabili fissi
φ < 0.45μm
Filtrazione
Evaporazione (105 °C)
φ > 0.45μm
Evaporazione
Evaporazione (105 °C)
Solidi totali
Solidi filtrabili
Solidi sospesi (SST)
Riscladamento (550 °C)
Riscladamento (550 °C)
Solidi filtrabili
volatili
Solidi volatili
Solidi totali
Solidi fissi
Solidi
sospesi volatili
Solidi
sospesi fissi
Parametri fisici- I solidi
CONTENUTO DI SOLIDI SEDIMENTABILI. Convenzionalmente sono i solidi
che riescono a sedimentare in un tempo di 2 ore. Per la detreminazione si utilizza un
cono Imhoff ed il risultato si esprime in (mL solidi/L).
Può essere determinato in laboratorio ma anche direttamente in campo.
Il contenuto di solidi sedimentabili fornisce un’indicazione dei solidi rimuovibili
dalle acque reflue per semplice sedimentazione.
Parametri fisici- I solidi
CONTENUTO DI SOLIDI SOSPESI. Sono costituiti dai solidi
presenti in acqua che vengono trattenuti da un filtro che per convenzione è stato
stabilito della porosità di 0.45 μm (figura classificazione solidi).
Si determina in laboratorio mediante la differenza di peso di un filtro utilizzato per
filtrare un volume noto di acqua.
In sequenza devono essere eseguite le seguenti operazioni:
• condizionamento in essiccatore e pesatura di un filtro pulito;
• filtrazione di un volume noto di campione;
• essiccamento del filtro in stufa a 105 °C fino a completa evaporazione dell’acqua
• condizionamento in essiccatore e pesatura del filtro
• Calcolo
SS = (peso finale - peso iniziale)/Volume [mg/L]
La misura viene solitamente effettuata su campioni provenienti dalla vasca
d’ossidazione al fine di determinare la concentrazione del fango, e su campioni di
acqua effluenti dall’impianto al fine di verificare il funzionamento della
sedimentazione finale ovvero il grado di chiarificazione dell’effluente.
Parametri fisici- I solidi
CONTENUTO DI SOLIDI SOSPESI VOLATILI. Sono costituiti dai solidi
organici (a temperature sufficientemente alte danno luogo a combustione).
Si determinano solitamente su campioni provenienti dalla vasca d’ossidazione per
verificare il contenuto di microrganismi i quali sono appunto sostanza organica.
Comunque non tutti gli SSV sono costituiti da microrganismi.
La determinazione può essere fatta anche sulle acque in arrivo all’impianto per avere
indicazioni sulle sostanze organiche presenti.
La determinazione viene fatta in laboratorio sui filtri precedentemente utilizzati per la
determinazione dei SST. Il filtro viene messo in muffola a 550 °C per diverse ore. Alla
fine si misurano le ceneri (solidi fissi) e per differenza dai SST si determina la frazione
volatile.
Il risultato si esprime di solito in mg/l.
SSV = (Solidi sospesi totali – solidi sospesi fissi) /Volume filtrato
Parametri fisici - Torbidità
TORBIDITA’. E’ l'espressione di una proprietà ottica di un liquido che causa
l'assorbimento e la riflessione dei raggi luminosi piuttosto che la loro diffusione
in linea retta all'interno del liquido stesso. E’ dovuta alla presenza di sostanze in
sospensione spesso di dimensioni molto ridotte (classificazione solidi).
Unità di misura
• Candele Jackson (JTU)
• Formazine Turbidity Unit (FTU)
• Unità silice (mg/l SiO2)
• Nephelometric Turbidity Unit (NTU)
SiO2
JTU
NTU - FTU
SiO2
1
2,5
0,13
JTU
0,4
1
0,053
NTU - FTU
7,5
19
1
Principio di funzionamento
di un Nefelometro:
si misura l’intensità della radiazione
riflessa dalle particelle nella direzione
a 90° rispetto a quella incidente
Principio di funzionamento
di un Torbidimetro:
si misura l’intensità della
radiazione trasmessa nella
stessa
direzione di quella incidente
Parametri microbiologici
La loro presenza di microrganismi può essere sia di origine naturale che antropica ed è
praticamente inevitabile, ma non sempre pericolosa in quanto solo alcuni sono quelli patogeni. Le
principali forme di microrganismi presenti nelle acque possono essere classificate in:
Batteri: organismi unicellulari, con grandezza compresa tra 0,5 e 5 μm, possono essere dotati o
meno di mobilità ed il loro tempo medio di sopravvivenza è di 20-30 giorni. Tra i PATOGENI
abbiamo (Salmonella typhi, Vibrio Cholera, Shigella sonnei, Mycobacterium tubercolosis).
Virus: sono organismi piccolissimi (10 – 500 nm) e sono parassiti, cioè hanno bisogno di una
cellula ospite della quale sfruttano i processi metabolici. La maggior parte sono patogeni per
l’uomo. Tra i patogeni si hanno quelli che originano l’Epatite A, la poliomelite, la meningite e molti
disturbi intestinali.
Protozoi: sono organismi unicellulari di dimensioni comprese tra 10 e 100 μm. Alcuni di questi
sono parassiti e patogeni per l’uomo. Possono sopravvivere nell’ambiente per non più di 20-30
giorni.
Elminti: sono organismi pluricellulari di dimensioni molto maggiori rispetto agli altri
microrganismi. Comprendono alcune specie di vermi intestinali patogeni per l’uomo (es. Ascaris
lumbricoides). Anche questi organismi, come i virus, presentano una dose minima infettante molto
bassa (1 una o alcune unità).
Parametri microbiologici
La varietà e la frequenza dei microrganismi patogeni nelle acque di
rifiuto riflettono il livello di diffusione delle malattie endemiche locali
I microrganismi
patogeni sono
all’origine di
numerose
malattie e casi di
mortalità
soprattutto in
zone con scarsa
igiene ambientale
Microrganismo
Escherichia Coli
Legionella
Batteri
Salmonella Typhi
Salmonella
Vibrio cholerae
Adenovirus
Enterovirus
Virus
Epatite A
Reovirus
Rotavirus
Cryptosporidium
Protozoi
Giardia lamblia
Taenia
Elminti
Ascaris
Malattia
Gastroenterite
Legionella
Febbre tifoidale
Salmonellosi
Colera
Malattie respiratorie
Gastroenterite, meningite
Epatite
Gastroenterite
Gastroenterite
Criptosporidiosi
Giardiasi
Teniasi
Ascaridiasi
Parametri microbiologici
I microrganismi patogeni presenti nelle acque reflue sono pochi e
difficilmente isolabili ed identificabili
Si utilizzano i MICRORGANISMI INDICATORI
• alla presenza/assenza dell’indicatore corrisponde la presenza/assenza
del patogeno
• il rapporto indicatore/patogeno è il più costante possibile e la
concentrazione dell’indicatore è preferibilmente superiore a quella del
patogeno
• l'indicatore e il patogeno presentano simili capacità di sopravvivenza
nell’ambiente esterno ed analoga resistenza ai disinfettanti
• l'indicatore dovrebbe essere un microrganismo non patogeno,
facilmente rilevabile e quantificabile con tecniche semplici e riproducibili,
applicabili a tutti i tipi di campione
Parametri microbiologici
Per avere indicazioni sulla concentrazione di microrganismi presenti
nelle acque e in particolare nei liquami, si fa generalmente riferimento
a particolari batteri del ceppo “Coli”
I Coliformi sono presenti nel tratto intestinale dell’uomo; ciascuna
persona espelle circa 100-400 miliardi di Coliformi al giorno, oltre
ad altri tipi di batteri. La presenza dei Coliformi è considerata
indice di presenza di microrganismi patogeni
Possibili indicatori
Coliformi totali, Coliformi fecali, Klebisella, Escherichia Coli,
Streptococchi fecali, Enterococchi, Clostridium, ...
Parametri microbiologici
MPN (Most Probable Number): inoculo di diluizioni progressive di
campione in tubi contenenti terreni di coltura liquidi. Viene effettuata
una prova presuntiva (capacità dei Coliformi di fermentare producendo
gas) e una prova di conferma (crescita delle colture risultate positive alla
prova presuntiva su terreni che impediscono la crescita di altri
microrganismi). Entrambe hanno bisogno di un certo periodo di
incubazione.
Non si ottiene il valore esatto ma una stima statistica della
concentrazione espressa come MPN/100 mL
Membrane filtranti: filtrazione di un volume noto di campione attraverso
pori che trattengono i batteri. I batteri trattenuti vengono messi a
contatto con il terreno selettivo adatto alla loro crescita. Al termine
dell’incubazione vengono contate direttamente le unità formanti colonie
(CFU) che si sono formate e la concentrazione viene espressa come
CFU/100 mL o UFC/100 mL
Parametri microbiologici
Parametri microbiologici
Acque destinate al consumo umano
D.Lgs. 31/2001
Coliformi totali
Coliformi fecali
Streptococchi fecali
Spore di clostridi solfato
riduttore
Computo delle colonie 36°C
su agar
22°C
Computo delle colonie 36°C
su agar per acque
confezionate in
22°C
recipienti chiusi
Volume del
campione
[ml]
Valori
guida
(VG)
100
100
100
-
Concentrazione
massima
ammissibile
(CMA)
0
0
0
100
-
0
1
1
1
10
100
5
20
1
20
100
A giudizio dell’autorità sanitaria competente può essere anche richiesto il controllo
di: alghe, Escherichia Coli, elminti, enterobatteri patogeni, Enterovirus, funghi,
protozoi, Stafilococchi patogeni, Pseudomonas Aeruginosa
Parametri microbiologici
Balneabilità
DPR 8/6/82 n. 470
Coliformi totali: 2000 MPN/100ml
Coliformi fecali: 100 MPN/100ml
Streptococchi fecali: 100 MPN/100ml
Salmonelle: assenti in 1000ml
Enterovirus: assenti
Scarico in corpi idrici superficiali
D.Lgs. 152/99
Escherichia Coli: 5000 CFU/100ml
Riuso irriguo delle acque depurate (DM 185/2003)
Escherichia Coli: 10 CFU/100ml
Salmonelle: assenti
Metodi di analisi e
tecniche di campionamento
Campionamento
Le operazioni di campionamento relative all'analisi delle acque devono
essere effettuate sia in base a criteri generali di rappresentatività e di
casualità (validi per qualsiasi altro prodotto), sia in base a criteri più
specifici e caratteristici. E’ la prima operazione del monitoraggio e non
deve inficiare il risultato finale.
Rappresentatività significa che le caratteristiche del campione devono
rispecchiare al massimo le caratteristiche medie dell'acqua in esame, sia dal
punto di vista qualitativo che quantitativo.
Il requisito di casualità è altrettanto essenziale in quanto consente di
impostare le operazioni di campionamento da un punto di vista statistico,
particolarmente utile per indagini d'un certo rilievo.
Recipienti: devono essere puliti e con tappo a tenuta. Per determinazioni
correnti si possono utilizzare anche bottiglie di polietilene. Per
determinazioni molto delicate occorrono bottiglie di vetro neutro, lavate
con miscela cromica, poi pulite più volte con acqua distillata, ed infine
essiccate in stufa.
Campionamento
Prelievo. È opportuno ‘avvinare’ il recipiente con l'acqua in esame, prima
del prelievo del campione, e riempire quanto più possibile la bottiglia
prima di chiuderla, per evitare che vi rimangano bolle d'aria.
Per il prelievo di acque di fiume è opportuno prelevare il campione al
centro della corrente, a 20-25 cm dal pelo dell'acqua. Nel caso dei laghi, o
comunemente di acque non correnti, si devono eseguire prelievi a varie
profondità con adatti campionatori.
Al momento del prelievo riportare su ogni campione i dati che lo
riguardano (ad esempio provenienza, la data, l'ora, il punto del prelievo, la
temperatura del campione e quella ambiente, ecc.)
Conservazione. Tra il prelievo del campione e l'esecuzione dell'analisi deve
passare il minor tempo possibile. I campioni in attesa di analisi devono
essere tenuti in frigorifero a temperatura leggermente superiore a 0 °C.
Vi sono determinazioni che devono essere necessariamente eseguite in situ:
tra queste sono da citare la temperatura, il pH, il potenziale redox, il cloro
libero, la conducibilità elettrolitica, l'ossigeno disciolto.
Tipi di campionamento
In funzione dell’arco di tempo che rappresentano i campioni si distinguono
in:
• istantanei quando rappresentano un singolo istante. Si utilizzano
soprattutto per eventi particolari (es. scarico anomalo).
• compositi quando sono costituiti dall’unione di più aliquote prelevate ad
intervalli regolari indipendentemente dalle variazioni di portata e/o dei
carichi. Adatti a seguire andamenti temporali ma non adatti per effettuare
bilanci di massa;
• medi ponderali costituiti dall’unione di più aliquote prelevate ad intervalli
o in volumi variabili in funzione della portata e/o dei carichi. Idonei per
valutare i carichi totali, per effettuare bilanci di massa. E’ necessaria la
disponibilità di strumentazione di processo e campionatori automatici.
Metodiche analitiche
Esistono delle metodiche ‘di riferimento’ o ’metodiche ufficiali’
per l’esecuzione delle determinazioni analitiche. In particolare nel
campo dell’analisi delle acque, tali metodiche sono quelle IRSACNR.
Queste richiedono spesso apparecchiature costose e procedure
lunghe, poco adatte al monitoraggio degli impianti, soprattutto queli
di piccole dimensioni (necessità di un laboratorio attrezzato).
Con l’intento di ridurre i costi e semplificare le metodiche in modo
da rendere possibile monitoraggi speditivi, sono stati sviluppati dei
‘metodi equivalenti’ che prevedono soprattutto l’utilizzo di kit.
Prima di utilizzare largamente i kit è ovviamente opportuno
verificarne la accuratezza (vicinanza del risultato al valore vero) e la
ripetibilità (capacità di dare risultati molto simili sullo stesso
campione) attraverso il confronto dei dati ottenuti con le metodiche
ufficiali.
Metodiche analitiche
Vantaggi dell’uso dei kit:
• facilità di esecuzione e possibilità di utilizzo anche da parte di personale non
specializzato;
• tempi brevi d’esecuzione;
• utilizzo controllato di reagenti tossici o pericolosi, spesso smaltiti dai fornitori;
• in termini di reagenti i costi sono spesso superiori alle metodiche ufficiali ma
considerando l’analisi nel suo complesso (personale, strumentazione e relativa
manutenzione delle apparecchiature da laboratorio,…) i costi sono confrontabili.
Svantaggi:
• il volume del campione analizzato è molto ridotto quindi molta attenzione
all’omogeneità del campione per rendere l’analisi significativa;
• l’analisi in kit non è valida ai fini della determinazione del rispetto dei limiti
normativi;
• più incertezza sull’interferenze soprattutto quando sopravvengono significativi
cambiamenti nella qualità dei reflui.
Metodi di analisi - Titolazione
Titolazione: si esegue mediante aggiunta di una soluzione a titolo noto
(soluzione standard) di un composto in grado di reagire con il parametro
cercato fino a che la reazione non è ritenuta completa: raggiungimento
del punto equivalente.
Il raggiungimento del punto equivalente viene rilevato mediante
osservazione del cambiamento di una proprietà della soluzione:
- Colore;
- pH;
- potenziale red-ox.
Il calcolo della concentrazione è fatto in base alla reazione e alla quantità di
titolante aggiunto. Per il calcolo della quantità incognita del composto di
interesse ci si basa sul fatto che al punto equivalente il numero di equivalenti
del composto e del titolante sono uguali. Infatti, per definizione, in termini
di equivalenti due reagenti reagiscono sempre in rapporto 1 : 1.
Titolazioni
Ad esempio si hanno le titolazioni acido – base: la quantità di acido o di base presente
in una soluzione si valuta attraverso un procedimento chiamato titolazione, per cui una
soluzione di acido viene titolata con una base e, viceversa, una soluzione di base viene
titolata con un acido.
Il raggiungimento del punto equivalente viene individuato per mezzo della presenza di
indicatori ovvero sostanze che cambiano colore in funzione del pH della soluzione.
pH
10
9
8
Punto equivalente
7
6
0
5
10
15
Volume soluzione titolante (mL)
20
Metodi di analisi – Analisi spettrofotometriche
Si basano sull’interazione della luce con le soluzioni.
Trasmittanza (T) = I1/I0
Assorbanza (A) = log I0/I1
l = cammino ottico (cm)
Soluzione da analizzare
Legge di Lambert-Beer
A = log (Io/I) = ε l c
ε = assorbanza specifica molare (l/ cm mol);
c = concentrazione (mol/l)
l = cammino ottico (cm)
Metodi di analisi – Analisi spettrofotometriche
Si deve costruire una curva di taratura che metta in relazione l’assorbanza ad una
certa lunghezza d’onda con la concentrazione.
Assorbanza
a3
a2
a1
c1
c2
c3
Concentrazione
Come per tutte le determinazioni spettrofotometriche la presenza di colore o di solidi
in sospensione può alterare la misura.
Metodi di analisi – Analisi spettrofotometriche
Spettroscopia di assorbimento molecolare
Sorgente
luminosa
Selettore
lunghezza
d’onda
Rivelatore e
registratore
Campione
Con questa tecnica si possono analizzare molti parametri chimici:
Azoto nitrico
Azoto ammoniacale
Azoto nitroso
Fosfati
Cloruri
Calcio
Magnesio
Ferro
COD
Tensioattivi non ionici
Argento
Cadmio
Solfato
Potassio
Manganese
Azoto totale
Ossigeno
Ozono
Piombo
Colore
Trasmittanza
Alluminio
…..
Metodi di analisi – Analisi spettrofotometriche
Spettroscopia di assorbimento molecolare: esempio di spettrofotometro
Metodi di analisi – Analisi spettrofotometriche
Spettroscopia di assorbimento atomico
Sorgente
luminosa
Bruciatore
Selettore
lunghezza
d’onda
Rivelatore e
registratore
Spettroscopia in emissione
Bruciatore
(sorgente
luminosa)
Selettore
lunghezza
d’onda
Rivelatore e
registratore
Si tratta di tecniche idonee alla rilevazione dei metalli in genere:
Sodio
Cadmio
Piombo
…...
Boro
Zinco
Cromo
Metodi di analisi – Tecniche cromatografiche
Si utilizzano per l’analisi delle sostanze organiche
Gli indici utilizzate per il contenuto organico (BOD, COD, TOC),
non forniscono alcuna indicazione sul tipo di sostanze presenti.
Le tecniche cromatografiche si basano sugli equilibri di ripartizione
delle sostanze organiche tra una fase fissa ed una fase stazionaria:
conoscendo le due fasi, si riconosce un composto dal tempo che
questo impiega ad attraversare la colonna cromatografica
In base alle fasi utilizzate si hanno molte tecniche cromatografiche.
Gas cromatografia (fase mobile gassosa);
Cromatografia liquida (fase mobile liquida).
Esempi di qualità delle acque: acque naturali
Pioggia
Varese
Residuo a 180 °C
mg/l
pH
Unità pH
Conduttività
μS/cm
BOD
mgO2/l
Durezza
°F
Calcio
mg/l
Magnesio
mg/l
Sodio
mg/l
Potassio
mg/l
Ammonio
mg/l
Solfato
mg/l
Nitrato
mg/l
Cloruro
mg/l
Idrogeno
mg/l
carbonato
4.5
29.7
0.78
0.3
0.41
0.11
1.1
4.5
2.9
1.1
0
Lago
Maggiore
7.2
136
6.8
21
3.8
2.1
1.5
<0.01
29
3.7
1.7
45
Acqua
sott.
Pavia
Acqua
sott. 2
Milano
Mare
Liguria
230
7.1
330
0.79
17.6
52
11
801
1.1
<0.01
17
1
6
207
630
7.3
850
0.4
42.7
135
21.8
19.3
2.4
<0.01
127
18
31
335
37720
460
458
1332
11286
432
2858
20260
140
Esempi di qualità delle acque: acque minerali
Temperatura
Residuo a 180 °C
pH
Conduttività
BOD
Durezza
Calcio
Magnesio
Sodio
Potassio
Ammonio
Solfato
Nitrato
Cloruro
Idrogeno carbonato
San Benedetto Norda Alisea
°C
16.7
9.4
9
mg/l
250
44.5
60.9
Unità pH
7.68
7.5
7.9
400
56
93.5
μS/cm
mgO 2/l
°F
2.8
4.15
mg/l
46
7.9
12.3
mg/l
30
2
2.6
mg/l
6.8
1.5
2.5
mg/l
1.1
0.5
0.6
mg/l
mg/l
4.9
4.5
10.1
mg/l
6.8
2.7
2.5
mg/l
2.8
0.6
0.9
mg/l
293
30.5
41.6
Esempi di qualità delle acque: acque reflue e depurate
Temperatura
Residuo a 180
°C
pH
Conduttività
COD
Durezza
Calcio
Magnesio
Sodio
Potassio
Ammonio
Solfato
Nitrato
Cloruro
Idrogeno
carbonato
Impianto
di Calice
Impianto
di Pistoia
°C
mg/l
250
44.5
Unità pH
μS/cm
mgO2/l
°F
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
7.67
1775
27
27
70.8
23
318
22
2.55
121.8
5.5
237
357
7.3
720
30
19.8
59.9
12
82
15.5
0.05
58.2
7.74
75.2
240
Tipico
Ingresso
impianto civile
Percolato di
discarica
500
7000
10
25
30
0
50