Piccola lezione sui fanghi di depurazione.3: i controlli (parte seconda)

Mauro Icardi

(I precedenti post di questa serie qui e qui.)

Per terminare la rassegna dei controlli che si effettuano sui fanghi della vasca di ossidazione, occorre parlare della verifica della concentrazione di ossigeno disciolto. Questo perché nei processi a fanghi attivi di tipo aerobico è estremamente importante il buon funzionamento del sistema di areazione. L’apporto di aria (o in casi particolari di ossigeno liquido, che viene vaporizzato tramite appositi impianti) serve a mantenere una concentrazione non limitante per i processi di depurazione biologica, ma anche una buona miscelazione della sospensione areata acqua/fango. Normalmente il valore di ossigeno disciolto ritenuto ottimale si aggira intorno a valori di 2 mg/lt. Valori inferiori rallentano il processo di nitrificazione dell’ammonio, e valori superiori potrebbero rallentare la velocità di assorbimento dell’ossigeno da parte della biomassa aerobica.

Normalmente sulle vasche di ossidazione sono installate delle sonde di misura dell’ossigeno funzionanti in continuo, che permettono la verifica e la registrazione dei valori. La variazione marcata e repentina di questo parametro, può essere correlata per esempio a variazioni di carico entrante nell’impianto. Le moderne sonde attualmente utilizzate utilizzano il principio ottico della fluorescenza, è un principio ottico di misura dell’ossigeno nei liquidi. La tecnologia del sensore ottico di ossigeno si basa su un metodo di determinazione di tipo ottico chiamato “quenching di fluorescenza”. A differenza di un’elettrodo amperometrico , che misura una reazione di redox dell’ossigeno all’elettrodo, il metodo ottico è basato su un trasferimento di energia tra un cromoforo fluorescente (fluoroforo) e l’ossigeno.

Un fluoroforo integrato nella punta del sensore viene illuminato con una luce verde-blu proveniente da una sorgente LED. Il fluoroforo assorbe energia e ne trasferisce una parte in forma di luce rossa fluorescente emessa. Un rilevatore posto nel sensore legge la luce fluorescente emessa e ne misura intensità e durata.

In presenza di ossigeno, il fluoroforo trasferisce parte dell’energia assorbita alle molecole di ossigeno. L’ossigeno assorbe l’energia e la trasferisce sotto forma di calore all’area circostante, causando una variazione di intensità della fluorescenza. Questa variazione è direttamente correlate alla pressione parziale di ossigeno nel mezzo e costituisce il principio di base della misura.

Secondo la legge di Henry, la quantità di un dato gas disciolto in un dato tipo e volume di liquido è direttamente proporzionale alla pressione parziale (p) di tale gas in equilibrio con tale liquido. Si tratta di un fattore molto importante per tutte le misure dell’ossigeno.

Le sonde normalmente rilevano anche il valore della temperatura, altro parametro di grande importanza. In sostanza una vasca di ossidazione è un reattore biologico. La temperatura di questo reattore non è però regolabile a piacere, ma subisce della variazioni stagionali, anche se non scende mai, di solito, a valori inferiori a 10-12°C, perlomeno in Italia.

(continua)

Chi gli ha dato il nome? Winkler.

WINKLER LAJOS (1863 - 1939)

WINKLER LAJOS
(1863 – 1939)

a cura di Giorgio Nebbia, nebbia@quipo.it

Una delle più importanti analisi delle acque riguarda la misura della concentrazione di ossigeno disciolto, un parametro chimico utilizzato per caratterizzare l’idoneità delle acque alla vita per i pesci e altri esseri viventi. Le sostanze organiche inquinanti addizionate alle acque vengono decomposte dai microrganismi a spese dell’ossigeno disciolto. Alla temperatura di 20° C e a pressione atmosferica, una concentrazione di ossigeno nell’acqua dolce pari a 9,1 mg/L corrisponde al 100% di saturazione; valori inferiori al 75% sono indizio di inquinamento. La presenza di sali e la temperatura sono parametri da tenere in considerazione quando si abbia a che fare con corpi idrici naturali. Una misura dell’inquinamento è quindi offerta dalla valutazione della quantità di ossigeno richiesto per ossidare tutte le sostanze organiche; una diminuzione dell’ossigeno disciolto può provocare la morte di molte forme di vita nei laghi o nel mare

Il metodo più diffuso per la misura dell’ossigeno disciolto è stato per un secolo quello “di Winkler” che prende il nome non da quello del grande chimico tedesco Clemens Winkler (1838-1904), lo scopritore del germanio, lo studioso di analisi dei gas, ma da quello di un, ingiustamente meno noto, chimico ungherese, Lajos Winkler, (1863-1939).

Winkler, nato ad Arad, ottenne il diploma di chimica all’Università delle Scienze di Budapest dove lavorò col professor Karoly Than (1834-1908); nel 1889 ottenne il titolo di PhD e dal 1902 divenne lettore all’Università dove ha diretto per 25 anni l’Istituto di Chimica.

Winkler ha pubblicato molti libri e 400 articoli scientifici ed è stato uno dei fondatori del Giornale Ungherese di Chimica. Ha collaborato alla redazione della Farmacopea ungherese e nel 1922 è stato nominato membro dell’Accademia delle Scienze nell’Ungheria ormai stato indipendente. Dal 1964 ogni due anni una medaglia Lajos Winkler è assegnata ad uno studioso nel campo della chimica farmaceutica.

Fra i suoi studi si possono ricordare analisi gravimetriche, la determinazione dell’ammoniaca, l’analisi della acidità degli oli, l’analisi del cloro e dello iodio nelle acque.

Bottiglia di Winkler

Bottiglia di Winkler

Ma le ricerche più celebri risalgono alla determinazione dell’ossigeno libero nelle acque; il primo articolo fu pubblicato nel 1888, quando aveva appena 25 anni, come parte della sua tesi di dottorato nell’Università Pazmany Péter di Budapest, nei Berichte der Deutchen Chemischen Gesellschaft, vol. 21, pagine 28-43. Il metodo originale fu successivamente perfezionato. Studente e poi collaboratore di Winkler fu Rezso Maucha (1882-1962) che sarebbe diventato specialista di chimica delle acque e di limnologia, noto a livello internazionale per le ricerche sui processi di produzione, accumulo e decomposizione di esseri viventi nelle acque. In collaborazione col prof. Winkler, Maucha mise a punto metodi di analisi di altri gas e di sostanze chimiche disciolti nelle acque.

Come riconoscimento per la sua dedizione e il suo impegno nella chimica analitica e per le sue doti umane, al nome di Lajos Winkler è intestato un Istituto Tecnico chimico a Budapest.

Negli anni 80 dell’Ottocento, quando Winkler affrontò il problema, l’analisi dell’ossigeno disciolto nelle acque era un lavoro lungo e tedioso; il metodo inventato da Winkler era basato sulla osservazione che se si scioglie una piccola quantità di idrato sodico insieme a cloruro manganoso, l’idrato manganoso Mn(OH)2 così formato si trasforma, in presenza di ossigeno libero, in un ossido manganico che, dopo acidificazione e addizione di uno ioduro, provoca la formazione di iodio che può essere titolato con una soluzione di tiosolfato sodico

Col passare del tempo il metodo di Winkler ha subito alcune modificazioni che hanno permesso di farne il metodo ufficiale, sempre col nome di Winkler, di analisi dell’ossigeno disciolto nelle acque

Nella versione più recente, nel campione da analizzare si introduce del MnCl2 ed una soluzione alcalina formata da NaOH, NaI, e sodio azide NaN3: si forma un precipitato da metaidrossido manganico MnO(OH)2. Si addiziona poi acido fosforico che discioglie il precipitato e contribuisce all’ossidazione degli ioduri della soluzione alcalina liberando iodio. Questo viene determinato mediante una soluzione di tioslofato sodico Na2S2O3 a titolo noto e salda d’amido come indicatore. La concentrazione di ossigeno disciolto si esprime in mg/L o ppm

Con lo stesso metodo si misura la richiesta biochimica di ossigeno BOD. Dopo aver neutralizzato a pH 7 il campione da analizzare, se ne misura la concentrazione di ossigeno disciolto col metodo di Winkler entro 15 minuti. Un secondo campione viene introdotto in apposita bottiglia, chiusa ermeticamente, tenuta in bagno termostatico a 20°C al buio per cinque giorni, dopo i quali si misura la concentrazione di ossigeno disciolto ancora col metodo di Winkler. Il BOD5 si ottiene dalla differenza fra la concentrazione iniziale e quella finale di ossigeno, entrambe in mg/L, diviso il volume di liquido analizzato. Un’acqua non inquinata ha un BOD di qualche unità, un’acqua fortemente carica di inquinanti organici può arrivare a valori intorno a 300-500 mg/L. In questi casi ovviamente l’analisi viene fatta su campioni opportunamente diluiti.

Oggi per la misura della concentrazione di ossigeno disciolto vengono utilizzati altri metodi, ma quello di Winkler ha avuto un ruolo fondamentale nel campo della chimica delle acque,

Per concludere, una curiosità. Girovagando per Internet ho letto che in Calle Larga de l’Ascension a Venezia, c’è una lapide che ricorda il tenente colonnello garibaldino Lajos Winkler (1810-1861) della Legione Ungherese, costituita da dissidenti che reclamavano l’indipendenza dell’Ungheria dall’Impero Austroungarico. Winkler combatté in Italia negli anni 1848-49 per la libertà di Venezia, allora sotto lo stesso Impero. Questo Lajos Winkler è morto due anni prima della nascita del nostro chimico Winkler e quindi potrebbe essere stato suo nonno.

la lapide di Winkler (nonno) è quella a destra

la lapide di Winkler (nonno) è quella a destra

per approfondire: http://en.wikipedia.org/wiki/Lajos_Winkler

http://en.wikipedia.org/wiki/Winkler_test_for_dissolved_oxygen

http://serc.carleton.edu/microbelife/research_methods/environ_sampling/oxygen.html

Lajos Winkler (2388). “Die Bestimmung des in Wasser Gelösten Sauerstoffes”. Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft 21 (2): 2843–2855. doi:10.1002/cber.188802102122.

McCormick, Patrick G. (1972). “The Determination of Dissolved Oxygen by the Winkler Method. A Student Laboratory Experiment”. The Journal of Chemical Education 49 (12): 839–841. doi:10.1021/ed049p839.

http://www.sasovits.hu/anyag/feltalal/winkler_l.htm