Piccola lezione sui fanghi di depurazione. 2. I controlli. Parte prima

Mauro Icardi

(la prima parte di questo post è qui)

Nella normativa relativa alla depurazione delle acque di scarico non è previsto l’obbligo di verificare le caratteristiche dei fanghi di depurazione, così come è invece previsto per la linea di trattamento delle acque reflue. Ma considerato che i fanghi sono prodotti proprio dal trattamento depurativo delle acque, terminati i processi di trattamento, quali ad esempio l’ispessimento, la digestione anaerobica, e la disidratazione, i fanghi che devono essere smaltiti diventano rifiuti speciali, identificati dai codici CER 190804 o 190805. In questo caso sono soggetti a controlli e adempimenti relativi alla gestione dei rifiuti, e quindi vengono verificate le concentrazioni limite degli inquinanti presenti che sono stati eliminati dall’acqua reflua depurata, prima di identificare la destinazione di smaltimento o di recupero. Le principali destinazioni dei fanghi possono essere per lo smaltimento la discarica o l’incenerimento, e nel caso del recupero principalmente il riutilizzo agricolo, che nell’ultimo periodo è stato molto criticato, sollevando dubbi nella pubblica opinione, ma anche problemi di gestione degli stessi fanghi. Vediamo quali sono i principali controlli che si possono effettuare sui fanghi, nelle varie fasi di trattamento.

Per effettuare una corretta gestione del processo depurativo si stabiliscono normalmente dei work planning aziendali, per determinare diversi parametri utili al controllo di processo in vasca di ossidazione. I principali controlli possono richiedere la verifica di parametri di tipo chimico, biologico, e tecnologico. Non è poi da trascurare l’osservazione diretta del comparto di ossidazione biologica. A volte, soprattutto dopo molti anni di lavoro, si riescono a identificare con il semplice colpo d’occhio eventuali disfunzioni del processo depurativo.

Una delle operazione più semplici da effettuarsi è quella della registrazione del valore della sedimentazione dei fanghi in cono Imhoff.

Il cono di Imhoff è un recipiente di vetro o materiale plastico a forma di cono, sorretto da un apposito sostegno. Il volume del cono di Imhoff è 1 litro, e la graduazione parte, e quindi ha lo zero, in corrispondenza del vertice del cono, e poi, procede verso l’alto. Con questa apparecchiatura molto semplice, si può verificare la tendenza alla sedimentazione di un fango prelevato nella fase di ossidazione, oppure di ricircolo di un impianto di depurazione biologica.

Nell’immagine si può vedere a sinistra un fango con buona tendenza alla sedimentazione, e con una divisione marcata dell’interfaccia fango/acqua chiarificata. Mentre a destra si vede un fango con caratteristiche piuttosto problematiche, e con una scarsa tendenza alla sedimentazione.

Praticamente il cono di Imhoff riproduce le condizioni di sedimentazione che si verificheranno poi nel sedimentatore dell’impianto di depurazione.

Associata a queste verifiche visuali, vi è la determinazione dell’indice di volume del fango sludge volume index, abbreviato in SVI. Per determinare questo parametro, si rileva semplicemente il volume di fango letto sulla scala graduata del cono Imhoff dopo 30 minuti di sedimentazione, e lo si divide per la concentrazione di fango espressa in g/lt ottenuta dopo filtrazione su carta da filtro e successiva evaporazione dell’acqua in stufa alla temperatura di 105° C. (SVI=volume del fango sedimentato [ml/l] / quantità di solidi sospesi [mg/l]).

Si ritiene che un fango abbia buone caratteristiche di sedimentabilità se ha uno SVI non superiore a 250 ml/lt.

Viene determinata poi anche la percentuale di sostanza organica volatile indicata come tenore delle materie secche volatili ; rappresenta la porzione di sostanza secca che viene eliminata per calcinazione alla temperatura di 550 °C e viene normalmente espressa come percentuale di materiale volatile sulla totalità del contenuto di sostanza secca.

La determinazione si effettua ponendo il filtro in un crogiolo di porcellana, e poi in forno elettrico a muffola.

Il valore del contenuto di sostanza secca del fango varia con il tipo di fango considerato: fango derivante dalla sedimentazione primaria, fango contenuto nella vasca di aerazione, fango del sedimentatore secondario, fango misto, fango parzialmente o totalmente mineralizzato, fango parzialmente ispessito ecc. In ogni caso tuttavia questo valore risulta molto basso, inferiore al 5% e in molti casi inferiore al 3%.

Altro controllo che si esegue è quello dell’analisi microscopica del fango attivo. Il processo a fanghi attivi ha lo scopo di raggiungere la massima riduzione di BOD e di nutrienti dai liquami trattati, con la minima produzione di fanghi biologici. I protisti sono importanti costituenti delle comunità implicate nella rimozione di sostanza organica biodegradabile e di batteri dispersi nella miscela aerata in questo tipo di processo di trattamento dei liquami. I trattamenti biologici, infatti, si basano sul processo di autodepurazione tipico dei corsi d’acqua quale risultato dell’attività delle comunità microbiche.

L’osservazione microscopica del fango di depurazione può dare importanti informazioni sull’equilibrio tra decompositori (batteri, funghi) che ricavano l’energia per il loro sviluppo dalla sostanza organica disciolta nel liquame, e consumatori (flagellati eterotrofici, ciliati, rizopodi, e piccoli metazoi) che predano i batteri dispersi e altri organismi.

I protozoi ciliati sono molto numerosi in tutti i tipi di processi di trattamento aerobico dei liquami, e la loro presenza diffusa è indice di un buon funzionamento della fase ossidazione biologica.

“Contaminazione da microplastiche nell’acqua corrente di tutto il mondo”: Houston, abbiamo un problema?

Claudia Campanale*

Il giorno 25 Agosto scorso mi trovavo in Germania presso l’Istituto Federale di Idrologia di Coblenza per svolgere parte del mio dottorato di ricerca sulle microplastiche nell’ambiente acquatico quando ricevo una telefonata da parte di uno dei giornalisti che stava seguendo il caso “Microplastiche nell’acqua potabile”. Il giornalista mi parla dell’inchiesta in corso preannunciandomi i risultati della ricerca condotta dall’Università statale di New York e del Minnesota e da Orb Media che sarebbero poi stati pubblicati il 05 settembre 2017 sul “the guardian” e secondo cui l’83% dei campioni di acqua potabile prelevati da tutto il mondo conterrebbero microscopiche fibre di plastica.

https://www.theguardian.com/environment/2017/sep/06/plastic-fibres-found-tap-water-around-world-study-reveals

Il giornalista inoltre, mi chiede di analizzare tre campioni di acqua prelevati dalle fontane pubbliche di Roma per avere un controllo su altri tre campioni prelevati dagli stessi punti e analizzati contemporaneamente dall’Università del Minnesota.

Al momento a livello globale non sono state mai eseguite azioni di intercalibrazione tra laboratori e non sono disponibili standards di qualità a cui far riferimento. A causa della mancanza di protocolli standardizzati per il campionamento, l’estrazione, la purificazione e la caratterizzazione delle microplastiche, la comparabilità dei dati disponibili rimane altamente limitata, soprattutto per quanto riguarda: la definizione delle diverse classi dimensionali, le procedure di campionamento, i metodi analitici e i valori di riferimento.

Generalmente l’analisi delle microplastiche in matrici ambientali consta di tre fasi: campionamento, estrazione, quantificazione e identificazione.

1° Step: CAMPIONAMENTO

Il primo aspetto da considerare riguarda proprio il significato insito nella definizione di campionamento che secondo i metodi analitici per le acque APAT-IRSA è la seguente:

“Il campionamento può definirsi come l’operazione di prelevamento della parte di una sostanza di dimensione tale che la proprietà misurata nel campione prelevato rappresenti, entro un limite accettabile noto, la stessa proprietà nella massa di origine. In altre parole, il fine ultimo del campionamento ambientale è sempre quello di consentire la raccolta di porzioni rappresentative della matrice che si vuole sottoporre ad analisi“.

La qualità dei risultati di un’analisi è quindi strettamente correlata a quella del campione prelevato; ne consegue che il campionamento risulta essere una fase estremamente complessa e delicata che incide in misura non trascurabile sull’incertezza totale del risultato dell’analisi.

Così come indicato nei Metodi analitici ufficiali per le acque destinate al consumo umano (D.Lgs. 31/2001), per individuare le caratteristiche di qualità di un’acqua e per seguire le sue variazioni temporali è innanzitutto necessario che i campioni da analizzare siano il più possibile rappresentativi delle reali condizioni qualitative e quantitative esistenti nella matrice. Al momento del campionamento è necessario dunque considerare con attenzione i volumi di acqua da prelevare. Essi vanno definiti in funzione dei parametri da determinare e comunque devono essere superiori al minimo necessario per procedere allo svolgimento degli esami richiesti.

Seguendo le metodiche di campionamento utilizzate dai ricercatori dell’Università del Minnesota i tre campioni da analizzare prelevati dalle fontane pubbliche di Roma sono stati campionati in bottiglie di HDPE per un volume totale di 500 ml a campione. In relazione a questa prima fase di campionamento ciò che desta maggiore perplessità è proprio la rappresentatività del campione relativamente all’esiguo volume di acqua campionato. Un volume di 500 ml è abbastanza rappresentativo per avere un valore che si discosti sufficientemente da quella che è la contaminazione ambientale di fondo e avere quindi un risultato superiore al valore del bianco? Basti pensare che, studi finalizzati a determinare la concentrazione di microplastiche a valle di impianti di trattamento delle acque reflue, utilizzano, per l’analisi delle microplastiche, un volume di campione che varia tra i 50 e i 100L (Mintening et al., 2016, Murphy et al., 2016, Carr et al., 2016).

Inoltre, diverse ricerche specifiche dimostrano che determinare la contaminazione ambientale derivante dalla deposizione atmosferica di microfibre sintetiche o dall’abbigliamento dei ricercatori risulta indispensabile per garantire che il contenuto di plastica nel campione analizzato non venga sovrastimato (Hanvey et al., 2017). Pertanto, valutare l’affidabilità della metodica utilizzata mediante test di validazione e bianchi ambientali risulta indispensabile per riportare i risultati di uno studio.

Un secondo aspetto da tener presente in questa prima fase riguarda il concetto di incertezza. Attualmente è accettato che, nel momento in cui tutte le componenti di errore siano state valutate e le relative correzioni apportate, rimanga tuttavia un’incertezza sulla correttezza del risultato. L’incertezza in generale può essere valutata dalla distribuzione statistica dei risultati di una serie di misurazioni e può essere caratterizzata mediante il calcolo delle deviazioni standard.

I tre campioni di controllo, prelevati dalla città di Roma, sono stati campionati in singola copia senza replicati, quindi non è stato possibile calcolare il livello di incertezza associato al risultato analitico.

Inoltre, secondo la guida EURACHEM/CITAC e la UNI CEI ENV 13005 “Guida all’espressione dell’incertezza di misura” , nel riportare il risultato di una misurazione è necessario:

– specificare il misurando;

– descrivere chiaramente i metodi usati per calcolare il risultato di una misurazione e la sua incertezza dalle osservazioni sperimentali e dai dati di ingresso;

– identificare le sorgenti di incertezza e documentare in modo esauriente come esse sono state valutate;

– quantificare le componenti dell’incertezza;

– calcolare l’incertezza combinata o composta;

– presentare l’analisi dei dati in modo tale che ogni passaggio possa essere agevolmente seguito e che il calcolo del risultato riportato possa essere ripetuto in modo autonomo, se necessario;

– fornire le correzioni e le costanti utilizzate nell’analisi e le loro fonti.

Nell’articolo pubblicato sul “the guardian” non viene descritta nessuna delle metodologie utilizzate per il campionamento, l’estrazione, la quantificazione e l’identificazione delle microplastiche trovate nei campioni analizzati. I risultati pubblicati fanno riferimento ad una concentrazione di microplastiche (espressa come numero di fibre/500mL) senza alcun valore di deviazione standard associato.

2° Step ESTRAZIONE

Al campionamento segue la fase di estrazione, che consiste in una serie di steps volti a separare le microplastiche dalla loro matrice per mezzo di una degradazione chimica e/o enzimatica della sostanza organica interferente, seguita da una separazione densimetrica e da una filtrazione finale del campione. Va detto che questa fase risulta essere la più complicata e, al momento, non esiste una metodica che permetta una rimozione del 100% della componente naturale con un recupero del 100% delle particelle sintetiche. Tuttavia, per campioni di acqua potabile, la degradazione chimica e/o enzimatica non è strettamente necessaria in quanto si presuppone un contenuto di matrice basso o pressoché inesistente, pertanto risulta fondamentale la caratterizzazione chimica.

3° Step QUANTIFICAZIONE e IDENTIFICAZIONE

Una volta che le particelle sono state separate dalla matrice, la quantificazione richiede la pesatura o il conteggio, compito assai difficile soprattutto per le particelle appena visibili ad occhio nudo. La caratterizzazione visiva del campione al microscopico (Visual Sorting) tuttavia presenta un elevato rischio di sovrastima a causa di grandi quantità di sostanze di origine naturale (parti di animali, minerali, fibre di origine naturale, ecc.) ancora presenti negli estratti (Dekiff et al., 2014). Da qui l’identificazione chimica delle particelle estratte risulta indispensabile a valle di una pre-caratterizzazione al microscopio allorquando diversi studi affermano che fino al 70% delle particelle visivamente identificate al microscopio vengono poi, in seguito ad una caratterizzazione chimica, identificate come falsi positivi (Hidalgo-Ruz et al., 2012, Hanvey et al., 2017).

Tra le tecniche consigliate per la corretta identificazione di materie plastiche vi sono spettroscopia Raman o FTIR, o pirolisi-GC / MS (Löder et al., 2015).

Come già accennato precedentemente, l’articolo pubblicato sul “the guardian”, manca dei riferimenti metodologici utilizzati dai ricercatori per eseguire l’analisi delle microplastiche seguendo un approccio scientifico rigoroso che, in questa fase ancora embrionale della ricerca, risulta indispensabile al fine di avere risultati attendibili. Inoltre ciò che desta maggiore scetticismo è che i risultati presentati dai colleghi siano stati divulgati, a livello mondiale, prima ancora della pubblicazione ufficiale di un articolo scientifico su una rivista accreditata.

 

Come ultimo aspetto da approfondire, prima di diffondere allarmismi su scala globale, particolarmente importante è ampliare la conoscenza di quelli che sono gli impatti delle microplastiche sull’ambiente e sulla salute.

Ad oggi non sono ancora state definite “concentrazioni prevedibili senza effetti (PNEC)” e “concentrazioni ambientali previste (PEC)” per le microplastiche presenti nell’ambiente e, non esistono nemmeno approcci alternativi per la valutazione del rischio delle materie plastiche.

Ciò che sappiamo al momento è che una serie di studi ha messo in luce la possibile ingestione di microplastiche da parte di pesci e molluschi in ​​condizioni naturali, sollevando diverse preoccupazioni; si pensa che le particelle possano provocare una risposta biologica attraverso meccanismi fisici e chimici. In primo luogo, sono stati riscontrati danni fisici come abrasioni interne e blocchi ed è stato dimostrato che le microplastiche possono causare lesioni che portano alla necrosi cellulare, all’infiammazione e a lacerazioni dei tessuti nei tratti gastrointestinali di alcuni organismi acquatici. In secondo luogo, l’elevata persistenza e galleggiabilità della plastica la rende un vettore ideale per il trasporto di specie aliene e per il potenziale rischio di dispersione di agenti patogeni per lunghe distanze. La colonizzazione da specie invasive è considerata come una delle più grandi minacce alla biodiversità globale. In terzo luogo, le microplastiche potrebbero essere considerate come possibili micro assorbitori di contaminanti organici (alteratori endocrini, POP) e metalli in tracce in grado di aumentarne la biodisponibilità negli organismi e di fungere da trasportatori in sistemi acquatici ed a lungo raggio in aree remote. Tuttavia, non è stato dimostrato in modo convincente che ciò avviene in condizioni naturali (Hermsen et al., 2017). In questa fase della ricerca quello di cui siamo certi è che le plastiche sono ubiquitarie, si frammentano in microplastiche e, probabilmente, la loro dispersione nell’ambiente è destinata ad aumentare; ciò di cui non siamo a conoscenza è la tossicità e le conseguenze a livello ecologico delle microplastiche in quanto non è ancora stata fatta una valutazione del rischio.

Houston, abbiamo un problema?

 

Bibliografia 

Carr S.A., Liu J., Tesoro A.G., 2016. Transport and fate of microplastic particles in wastewater treatment plants. Water Res. 91, 174 e 182.

Dekiff J.H., Remy D., Klasmeier J., Fries E., 2014. Occurrence and spatial distribution of microplastics in sediments from Norderney. Environmental Pollution 186 (2014) 248e256.

Löder, M. G. J. & Gerdts, G., 2015. Methodology used for the detection and identification of microplastics – A critical appraisal in Marine Anthropogenic Litter (eds Bergmann, M. et al.) Ch. 8, 201–227 (Springer, 2015).

Murphy, F., Ewins, C., Carbonnier, F., Quinn, B., 2016. Wastewater treatment works (WwTW) as a source of microplastics in the aquatic environment. Environ. Sci. Technol. 50, 5800e5808.

Hanvey J. S., Lewis P.J., Lavers J.L., Crosbie N.D., Pozo K., Clarke B.O. 2017. A review of analytical techniques for quantifying microplastics in sediments. Anal. Methods 9, 1369.

Hermsen E., Pompe R., Besseling E., Koelmans A.A. 2017. Detection of low numbers of microplastics in North Sea fish using strict quality assurance criteria. Marine Pollution Bullettin, http://dx.doi.org/10.1016/j.marpolbul.2017.06.051.

Hidalgo-Ruz V, Gutow L, Thompson RC, Thiel M. 2012. Microplastics in the marine environment: a review of the methods used for identification and quantification. Environ Sci Technol. 46:3060 − 3075.

Mintenig S.M., Int-Veen I., Löder M.G.J., Primpke S., Gerdts G., 2016. Identification of microplastic in effluents of waste water treatment plants using focal plane array-based micro-Fourier-transform infrared imaging. Water Research, http://dx.doi.org/10.1016/j.waters.2016.11.015

*Claudia Campanale è laureata in biologia presso UniBa con il massimo dei voti, sta svolgendo un dottorato in Chimica  con un tutor di eccezione, Angela Agostiano e proprio sul tema del campionamento, estrazione, quantificazione e caratterizzazione di microplastiche presenti in acque interne superficiali; ha  fatto esperienza in Italia e Germania sui temi dell’inquinamento ambientale, della sua caratterizzazione e della sua eliminazione.