1 - Introduzione
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CAPITOLO 1 - INTRODUZIONE
1.1 L’inquinamento
La depurazione ha lo scopo di rendere una sostanza che viene restituita all’ambiente in un corpo
ricettore a seguito di un suo utilizzo, il più possibile uguale alla stessa sostanza presente naturalmente
nel ricettore. Questo significa ridurre l’impatto ambientale dell’attività dell’uomo.
Prima di iniziare con l’argomento vero e proprio della presente tesi di laurea è utile fare una parentesi
sul fenomeno dell’inquinamento in particolare su quello idrico.
Con il termine generico inquinamento si indica il degrado dell'ambiente causato dall'immissione, da
parte dell'uomo, di sostanze che ne alterano le caratteristiche chimico-fisiche. A seconda del ricettore di
queste sostanze, che possono essere solide, liquide o gassose, si parla d'inquinamento atmosferico (o
dell'aria), dell'acqua e del suolo.
Sono sostanzialmente tre i modi attraverso i quali l'ambiente naturale può essere inquinato:
ξ immettendo sostanze inquinanti non di per sé tossiche ma con una velocità tale che i cicli
biogeochimici non riescono del tutto a smaltire: è questo il caso dell'anidride carbonica e di molti
composti organici
ξ liberando sostanze tossiche per gli organismi viventi: alcune di loro poiché non sono biodegradabili
(non sono cioè trasformabili in composti inattivi dai normali meccanismi biologici) aumentano la
loro concentrazione, e quindi la loro tossicità, nei viventi passando da un anello all'altro delle catene
alimentari
ξ depositando nell'ambiente sostanze inquinanti che restano inalterate nel tempo, cioè non
subiscono alcuna forma di degradazione, come la plastica.
Tutte queste sostanze liberate nell'ambiente modificano la composizione chimica e le caratteristiche
fisiche di aria, acqua e suolo, agendo negativamente sull'equilibrio dei vari ecosistemi.
L'inquinamento è un fenomeno antico, ma ha cominciato ad assumere dimensioni preoccupanti nel
secolo scorso perché è un problema strettamente legato alla nascita della cosiddetta civiltà industriale e
all'aumento della popolazione.
Vediamo più nello specifico quali sono state e quali sono tuttora le principali cause dell’inquinamento
che coinvolge il nostro pianeta:
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1. CRESCITA DEMOGRAFICA
Il grafico di fig.1 mostra qualitativamente come è stata la crescita demografica nel corso degli ultimi
secoli, in particolare nell’ultimo secolo la crescita è stata esponenziale passando da circa 1 miliardo di
abitanti del 1900 a quasi 6 miliardi censiti nel 2000.
Fig. 1.1 Andamento qualitativo della crescita demografica sul pianeta.
In particolare nei paesi più sviluppati si ha un tasso di crescita attorno allo 0% però si ha un tenore di
vita tale che comporta un forte impatto ambientale.
Mentre nei paesi più poveri si ha meno tecnologia però il tasso di crescita della popolazione è molto più
elevato. La popolazione complessiva dei Paesi meno sviluppati dovrebbe passare dagli attuali 4 miliardi
e 900 milioni ai 7 miliardi e 700 nel 2050. In ogni caso, nel 2300 l'età media globale sarà comunque più
elevata di quella odierna.(fonte ECplanet)
2. SVILUPPO AGRICOLO UNITAMENTE ALL’URBANESIMO
Lo sviluppo agricolo ha comportato fenomeni di disboscamento, che sono attualmente ancora in atto
soprattutto nei paesi in via di sviluppo, e il recente utilizzo di fertilizzanti per concimare i campi è causa
di inquinamento delle falde e del suolo.
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3. SVILUPPO INDUSTRIALE
A partire da poco dopo il 1800, questo ha comportato una richiesta di beni sempre più pressante. I
processi di produzione di tali beni hanno un forte impatto sulla natura.
In sintesi, la situazione sta diventando sempre più grave, perché le naturali capacità auto depurative
dell'ambiente sono insufficienti ad eliminare tutte le sostanze tossiche che vengono quotidianamente
immesse. Inoltre il problema dell’ inquinamento è presente non solo nelle nazioni industrializzate e
densamente popolate, ma anche in aree e regioni dove l’uomo è quasi del tutto assente.
1.1.1 Inquinamento idrico
Andiamo adesso più nel dettaglio a vedere ciò che tocca da vicino l’argomento di questo lavoro cioè
l’inquinamento idrico:
La carta europea dell'acqua, all'art. 3, afferma che "alterare le qualità dell'acqua significa nuocere alla
vita dell'uomo e degli altri esseri viventi che da essa dipendono".
Inquinare l'acqua, dunque, vuol dire modificarne le caratteristiche qualificative, al punto da renderla
inadatta al consumo degli esseri viventi.
L'inquinamento idrico può avere diverse origini:
Inquinamento naturale
L'inquinamento naturale non avviene per opera dell'uomo ma a causa di frane, alluvioni, eventi
atmosferici e stagionali. Questo fenomeno non crea problemi particolari, perché l'acqua è in grado di
autodepurarsi, entro certi limiti.
Inquinamento urbano
L’inquinamento urbano proviene dai sistemi di fognatura delle città.
Ognuno di noi consuma da 100 a 200 litri di acqua potabile al giorno: questa acqua, che contiene residui
organici, saponi, detersivi e rifiuti di varia natura, finisce nei tubi di scarico, di lì nelle fogne, nei fiumi e
poi in mare.
Ciò significa una quantità da 5 a 10 miliardi di litri di prodotti inquinanti che finiscono nelle acque
pubbliche, con il risultato che a causa di questa concimazione forzata le alghe e le piante dei fiumi e dei
laghi aumentano in gran copia, consumando ossigeno durante la notte, poi muoiono e marciscono
aggravando lo stato dell'inquinamento, sottraendo ossigeno alle creature acquatiche e provocandone la
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morte. Questo fenomeno si chiama eutrofizzazione ed è la causa della morte biologica di molti corsi
d’acqua. In termini formali la Direttiva CEE ENV91/24 attribuisce al termine eutrofizzazione la seguente
definizione (All.1, art.2, c.11): “Eutrofizzazione” : arricchimento dell’acqua dovuto ad un carico di
nutrienti (in particolar modo composti dell’azoto e del fosforo) che provoca una veloce proliferazione di
alghe e di forme superiori di vita vegetale, producendo effetti indesiderati sull’equilibrio degli organismi
e sulla qualità delle acque interessate”.
Inquinamento industriale
L'inquinamento industriale è dovuto all'immissione di sostanze chimiche non biodegradabili nelle acque
dei fiumi, dei laghi e dei mari. Ogni giorno migliaia di fabbriche scaricano nel sistema idrico quantitativi
enormi di coloranti, acidi, tinture, schiume, polveri di metalli che danneggiano irrimediabilmente la flora
e la fauna acquatica.
Inquinamento termico
L'inquinamento termico è dovuto all'immissione, nei fiumi e nei torrenti, dell'acqua calda usata per
raffreddare gli impianti. Ne sono responsabili le centrali termoelettriche e termonucleari, oppure le
industrie siderurgiche. Attualmente la normativa impone che negli impianti di raffreddamento delle
centrali termoelettriche l’acqua restituita al fiume non sia superiore di 10°C alla temperatura dell’acqua
del fiume stesso.
In sostanza l’acqua prelevata dal fiume per il raffreddamento della centrale non deve riscaldarsi più di
10°C.
Inquinamento agricolo
L'inquinamento agricolo è provocato da un uso indiscriminato di fertilizzanti, concimi chimici e pesticidi.
Queste sostanze tossiche finiscono nel sottosuolo o nei fiumi e giungono, attraverso la catena
alimentare, fino all'uomo.
Tutte queste forme d’inquinamento si ritorcono contro l'uomo, in forma di riduzione delle risorse
idriche, avvelenamento dell'ambiente e malattie.
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Fig.1.2 origini degli scarichi in corpo idrico ricettore
1.1.2 Eccesso di nutrienti nelle acque reflue urbane
I nutrienti, insieme alle sostanze organiche biodegradabili ed alle sostanze inorganiche ed organiche di
sintesi, rientrano nel gruppo di inquinanti definiti bioreagenti che provocano reazioni biologiche o
biochimiche in fase acquosa.
L’effetto inquinante degli eccessi di sali di azoto e fosforo, oltre all’effetto di tossicità diretta, provoca un
effetto indiretto nelle acque stagnanti( eutrofizzazione). L’ambiente idrico reagisce all’immissione di
nutrienti e di inquinanti con fenomeni di autodepurazione che permettono al sistema di riciclare i
materiali. I fenomeni che concorrono al mantenimento dell’omeostasi1 del sistema sono di natura fisica,
chimica e biologica. Si hanno quindi fenomeni di diluizione, sedimentazione, scambio ionico,
adsorbimento, reazioni acido-base, redox, degradazione, ingestione ed assimilazione che agiscono ed
interagiscono tra loro.
Per quel che riguarda i nutrienti il fenomeno di maggiore entità è l’assimilazione vegetale che permette
la rimozione di sali di azoto e fosforo allo stato solubile mediante assimilazione nel protoplasma algale.
A seguito della biodisponibilità di nutrienti gli organismi fitoplanctonici compiono fotosintesi nello strato
fotico2. E’ questa la principale fonte di produzione primaria di biomassa3 in ambiente idrico. Attraverso
1 L'omeostasi è la condizione di stabilità interna degli organismi che deve mantenersi anche al variare delle condizioni esterne attraverso
meccanismi autoregolatori.
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Lo strato fotico rappresenta la zona dove si trova la fonte alimentare degli organismi fitoplanctonici: acque dolci (fiumi, laghi), mare.
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fenomeni di escrezione, rigenerazione batterica e sedimentazione si ha quindi rimozione dei nutrienti
dalle acque superficiali e trasporto agli strati più profondi dove, a seguito di fenomeni di degradazione e
di risospensione, si può avere anche rilascio nell’atmosfera di tali sostanze. Si chiude così il ciclo dei
nutrienti cioè il percorso seguito in natura da ogni singola sostanza essenziale alla vita, attraverso
l’ambiente fisico e biologico.
In condizioni di eccesso di apporto di nutrienti in ambiente idrico si ha un’alterazione del loro ciclo
soprattutto a livello di produzione primaria. Questo eccesso è l’input per fenomeni di veloce
proliferazione di alghe fitoplanctoniche e di forme superiori di vita vegetale che provocano squilibri della
produzione primaria ed effetti indesiderati sulla qualità delle acque interessate.
Oltre a fenomeni di eutrofizzazione si possono infatti verificare anche fenomeni di deossigenazione delle
acque che possono portare alla morte o scomparsa di molte specie con conseguente anaerobiosi,
putrefazione e maleodorazioni. Ovviamente questi fenomeni sono fortemente condizionati dalle
caratteristiche del bacino idrico ricevente quali: disponibilità di acque di diluizione; livello di turbolenza
delle acque direttamente legato all’eventuale moto ondoso, alle correnti o alle maree; tempo di
ricambio idrico; regime dei venti, ecc.
La presenza di azoto e fosforo nei liquami domestici è imputabile sia alla normale attività metabolica
umana sia, in particolar modo per quanto riguarda il fosforo, all’utilizzo di detersivi sintetici.
Le diverse forme chimiche dell’azoto e del fosforo sono in parte quelle originariamente prodotte dalle
fonti sopra citate ed in parte sono il prodotto di processi di ossido-riduzione a cui vanno soggette le
forme originali e che dipendono in particolar modo dal tempo di permanenza del liquame nella rete
fognaria.
L’azoto nelle acque di scarico urbane si trova essenzialmente sotto forma ammoniacale e organica in
rapporti variabili; questa variabilità è da attribuirsi a processi biologici naturali che trasformano l’azoto
organico, attraverso un processo di deamminazione, in azoto ammoniacale.
N-organico: comprende tutto l’azoto legato mediante gruppi diversi a composti organici. La sua
presenza nelle acque è dovuta principalmente a sostanze di origine animale o vegetale. Mediamente nel
liquame in ingresso ad un impianto di depurazione, la frazione di N-organico presente rappresenta solo
il 25% circa dell’azoto totale.
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sostanze di origine animale e vegetale, non fossili, che possono essere usate come combustibili per la produzione di energia
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N-inorganico: l’azoto ammoniacale rappresenta la principale forma di azoto riscontrabile nei liquami sia
per sversamento diretto da scarichi industriali, sia come risultato della decomposizione dell’urea, oltre
che come prodotto della decomposizione anaerobica delle proteine.
Un liquame è quindi proporzionalmente tanto più ricco di ammoniaca quanto più lungo è il tempo di
scorrimento nel sistema fognario di adduzione all’impianto, perché hanno avuto tempo di svilupparsi le
reazioni biologiche di degradazione che stanno alla base della trasformazione. Può essere
fondamentalmente distinto in ammoniaca (NH3) o ione ammonio (NH4+); le due forme sono in equilibrio
chimico dipendente dal pH e dalla temperatura.
Anche nel caso del fosforo si possono distinguere due principali forme: fosforo organico e fosforo
inorganico. Entrambe possono trovarsi sia in forma solubile che particellata.
P-organico: generalmente è presente in misura limitata.
P-inorganico: rappresenta la frazione maggiormente presente nei liquami e comprende diverse forme,
quali l’ortofosfato ed i polifosfati. I polifosfati sono polimeri dell’acido fosforico, formati per
eliminazione di una molecola d’acqua, si derivano principalmente dai detersivi sintetici e risultano
essere composti complessi caratterizzati da una forte instabilità, in soluzione, infatti, vengono
lentamente idrolizzati ad ortofosfato solubile.
Ne consegue che l’ortofosfato solubile rappresenta la forma inorganica prevalente nei liquami (circa
50%); la sua presenza è dovuta sia a sversamento diretto, nel caso di scarichi industriali, sia
semplicemente perché escreto, sia perché prodotto terminale della degradazione microbica dei fosfati
organici e di idrolisi dei fosfati condensati.
I liquami grezzi contengono polifosfati in percentuali che variano dal 25% all’ 85% dei fosfati totali, in
relazione al contenuto iniziale ed al grado di idrolisi raggiunto nel sistema.
Inoltre la concentrazione di fosforo nelle acque grezze ed in particolare il rapporto ortofosfati/polifosfati
variano ampiamente durante il giorno; parte di questa variazione dipende dai cambiamenti nelle
concentrazioni relative delle diverse forme di fosforo, ma la maggior parte della variazione è causata da
un repentino e notevole aumento dei polifosfati durante le prime ore del giorno a causa delle attività
domestiche.
Mentre è comunemente accettato il ruolo del fosforo come uno dei principali fattori scatenanti l’effetto
di eutrofizzazione, non è noto per contro un suo ruolo di tossicità diretta sia nei confronti della vita
acquatica sia nei confronti della salute umana.
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Le forme azotate invece esercitano sia un effetto di eutrofizzazione che un effetto di tossicità diretta sia
nei confronti della vita acquatica (soprattutto NH3) sia nei confronti della salute umana (soprattutto NO2
e NO3). L’azoto ammoniacale esercita una tossicità diretta sulla fauna ittica quando si trova in forma
indissociata. Per alcune specie ittiche risultano tossiche concentrazioni pari a 0.01 [mg/l] di N-NH3.
L’inquinamento da nitrati nelle acque potabili è un problema di vecchia data e coinvolge risorse idriche
idropotabili soprattutto profonde. Infatti, l’assunzione di elevate quantità di nitrati, via acque potabili,
comporta elevati rischi per la salute dell’uomo. Tra le patologie più significative si ricordano l’insorgenza
della metaemoglobinemia in soggetti neonati ed anziani. Inoltre i nitriti e quindi indirettamente i nitrati,
possono reagire a livello gastrico, in ambiente acido, con ammine e ammidi derivanti dagli alimenti, con
il conseguente rischio di formazione di nitrosammine e/o nitrosammidi. Questi composti, sulla base di
sperimentazioni condotte su animali, risultano cancerogeni, mutageni4 e teratogeni5.
I fenomeni di crescita algale nelle acque del mar Adriatico hanno fin troppo chiaramente illustrato il
significato del termine eutrofizzazione e quali ne siano le conseguenze. In Europa questo fenomeno
presenta rilevanza su scala nazionale anche in Svizzera, Danimarca, Svezia, Norvegia e Paesi Bassi,
mentre in altre nazioni (Austria e Germania) si presenta come un fenomeno anche grave, ma su scala
più localizzata, come accade per molti laghi e bacini artificiali attorno al fiume Reno.
Negli USA il fenomeno si è presentato da tempo con estrema gravità nei cinque Great Lakes al confine
con il Canada e ha già portato nell’anno 1972 ad un accordo internazionale per il controllo
dell’eutrofizzazione.
L’OECD (Organisation for Economic Co-operation and Development) varò fin dal 1972 un programma di
valutazione dell’eutrofizzazione e di ricerca delle strategie di controllo come emerge da uno studio
effettuato per conto della Commissione delle Comunità Europee (1988). Da questo rapporto si ha la
conferma che l’Italia è uno dei paesi più colpiti con gravi fenomeni sia a livello dei 98 laghi naturali, di cui
due terzi sono interessati dal fenomeno eutrofico a vari livelli, sia nei 226 invasi artificiali soprattutto
della Sicilia e della Sardegna (Gaggino et al., 1985).
Situazioni altrettanto gravi si registrano in alcuni grandi fiumi di pianura quali Po, Arno, Tevere, mentre
l’eutrofizzazione del mare Adriatico settentrionale rappresenta un caso unico, per gravità, nel bacino del
Mediterraneo.
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mutageni sono quegli agenti che causano delle mutazioni o delle alterazioni a carico del materiale genetico, danneggiando così quell’insieme
codificato di informazioni che è presente in ogni cellula e che è responsabile dei vari processi biochimici e della trasmissione dei caratteri
ereditari.
Le sostanze mutagene possono agire essenzialmente in tre modi: provocando dei cambiamenti nella composizione chimica del DNA,
determinando delle alterazioni del riarrangiamento fisico di questa macromolecola oppure causando la fusione o la perdita di interi cromosomi.
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teratogeni sono quegli agenti chimici, fisici o biologici che danneggiano direttamente il feto a dosi innocue per la madre. Fra i possibili effetti
teratogeni vi sono lo sviluppo di un tessuto o di un organo anormali, la comparsa di malfunzionamenti metabolici e la manifestazione di ritardi
mentali. Alcune anormalità possono essere così lievi da non avere virtualmente ripercussioni sull’organismo, altre invece sono talmente gravi
da causare inevitabilmente la morte del feto o del nascituro.
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In altri paesi della CEE il fenomeno eutrofico si presenta, anche in forme rilevanti, ma su scala localizzata
ed in genere in situazioni di carenza idrica come in Grecia o di grandi invasi a utilizzo di acque superficiali
a scopo potabile come in Germania, Regno Unito, Spagna e Portogallo.
1.2 La depurazione delle acque reflue:
Ai fini della depurazione delle acque per quanto riguarda gli scarichi di tipo industriale non si hanno
problemi di “qualiquantificazione”, problemi invece presenti nel caso degli scarichi civili, cioè legati ad
attività domestiche.
I liquami civili si suddividono in :
Acque bianche → di origine pluviale
Acque nere → acque reflue domestiche. Si tratta di acque usate per le varie attività dell’uomo
provenienti da insediamenti civili e produttivi.
Questi liquami vengono convogliati verso un corpo idrico ricettore mediante un sistema di fognature che
può essere misto (acque bianche + acque nere) o separato, in quest’ultimo caso si parla di fognatura
bianca e fognatura nera.
Prima di giungere al ricettore la fognatura convoglia i liquami verso un impianto di depurazione.
Il grosso problema è sapere bene quale è lo sviluppo delle fognature, infatti nel caso di fognature miste
si ha una variabilità notevole delle caratteristiche chimiche che si hanno allo scarico e portate elevate di
acqua che arrivano all’impianto nei periodi di pioggia. Tutto questo influisce sul rendimento
dell’impianto di depurazione e soprattutto sulla scelta della tipologia di impianto da utilizzare.
1.2.1 Impianto di depurazione e relativi parametri
Vediamo brevemente quali sono i parametri utili ai fini del dimensionamento di un impianto di
depurazione:
1)PORTATA: è il parametro fondamentale per la progettazione dell’impianto
Qi portata all’ingresso dell’impianto
Qm portata media
Qp portata di punta
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