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Qualita’ dell’acqua

Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali

a.a. 2007-2008Laurea in Ingegneria Gestionale

Laurea Specialistica in Ingegneria delle Telecomunicazioni

Laurea Specialistica in Ingegneria Informatica

Prof.ssa: Chiara Mocennihttp://www.dii.unisi.it/~mocenni/mgsa-teach-07-08.html

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li A partire dagli anni ’60 si sono manifestati i primi segni di

inquinamento e degradazione ambientale come conseguenza

dell’eccessiva industrializzazione:

- strati spessi di olio nero su cui galleggiavano detriti e

spazzatura (Cuyahoga River, 1960);

- alghe stratificate e pesci morti in superficie (Lake Erie,

1969).

Clean Water Act 1972Clean Water Act 1972

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li Growing public awareness and concern for controlling water

pollution led to enactment of the Federal Water Pollution Control

Act Amendments of 1972. As amended in 1977, this law became

commonly known as the Clean Water Act. The Act established

the basic structure for regulating discharges of pollutants into the

waters of the United States. It gave Environmental Protection

Agency (EPA) the authority to implement pollution control

programs such as setting wastewater standards for industry. The

Clean Water Act also continued requirements to set water quality

standards for all contaminants in surface waters. The Act made it

unlawful for any person to discharge any pollutant from a point

source into navigable waters, unless a permit was obtained

under its provisions. It also funded the construction of sewage

treatment plants under the construction grants program and

recognized the need for planning to address the critical problems

posed by nonpoint source pollution.

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La Water Framework Directive

The European Community has adopted the concept of Integrated Water Resource Management (IWRM) as an integral part of the Water Framework Directive, which was published in October 2000.

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La Water Framework Directive

General key features of the IWRM approach are the following:

Interactions between biophysical, ecological and socioeconomic drivers, processes and impacts should be considered through an integrated system approach.

A balance needs to be achieved between economic and environmental objectives, requiring assessment of social and economic impacts from policies, and not only biophysical impacts.

Environmental performance and improvement should be measured in view of “good condition” targets.

Public participation and collaboration is a key feature of management and decision-making at the catchment level.

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La Water Framework Directive

In other words, the approach recognizes that the impact of management decisions is not restricted to the water resource itself, but inevitably affects a range of stakeholders with interests in the area. These impacts must be identified and evaluated under different scenarios. To make a balanced and fair judgment, a planner must be able to evaluate the effects of a decision based on a wide range of factors. Since many of the impacts may conflict, an integrated policy requires all the types of benefits and drawbacks to be taken into account and evaluated.

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li Mentre l’acqua potabile è un bene che in numerose zone viene dato per scontato, in altre essa costituisce una risorsa preziosa, e questo sia a causa della sua scarsità, sia a causa della contaminazione delle sorgenti idriche.

Circa 1,1 miliardi di persone, vale a dire il 18 % della popolazione mondiale, non hanno infatti accesso all’acqua potabile, mentre più di 2,4 miliardi di persone non dispongono di impianti fognari adeguati.

L’acqua e la popolazione mondiale

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Nei paesi in via di sviluppo più di 2,2 milioni di persone, in maggioranza bambini, muoiono ogni anno per delle malattie la cui insorgenza è associabile alla mancanza di acqua potabile, a degli impianti fognari inadeguati e a un’igiene scadente.

Una larga percentuale delle persone che vivono nei paesi in via di sviluppo soffre di malattie causate direttamente o indirettamente dal consumo di acqua o cibo contaminati o da organismi infettivi che si riproducono nell’acqua. Potendo contare su un’adeguata disponibilità di acqua potabile e di fognature, invece, l’incidenza di alcune malattie e dei decessi conseguenti potrebbe ridursi fino al 75 %.

L’acqua e la popolazione mondiale

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Nonostante il 70% della superficie terrestre sia coperta dalle

acque, l’acqua dolce costituisce solamente il 2,5% del totale,

mentre il rimanente 97,5% è composto da acqua salata. Più o

meno il 70% delle riserve di acqua dolce si trova nelle calotte

glaciali, e gran parte del resto è presente sotto forma di umidità

del terreno, oppure si trova in profonde falde acquifere

sotterranee inaccessibili.

Può essere utilizzato dall’uomo meno dell’1% delle risorse

mondiali di acqua dolce.

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Quantità d'acqua presenti nella Terra

* Area della superficie terrestre

1001.385.000.000Quantità totale

0,008105.000700.000Laghi salati e mari interni

97,31.348.000.000362.900.000Oceani

97,31.348.000.000362.900.000Acqua salata

1E-041.500Fiumi

1E-0413.500510.100.000 (*)Vapore atmosferico

0,00569.000130.900.000Umidità del suolo

0,009125.000830.000Laghi

0,273.740.000130.900.000In profondità comprese tra 0 e 800 m

0,347.710.000130.900.000In profondità comprese tra 800 e 4.000 m

Acqua profonda

2,0428.200.00015.100.000Ghiacci polari e ghiacciai

2,737.300.000147.900.000Acqua dolce

%Volume (Km3)Area (Km2)Voce

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li Le aree di scarsità e di difficoltà idriche sono in

crescita, particolarmente nel Nord Africa e nell’Asia

occidentale. Nel corso dei prossimi due decenni,

infatti, si prevede che il mondo avrà bisogno del 17%

di acqua in più per la coltivazione dei prodotti agricoli

necessari a sfamare le popolazioni in crescita dei

paesi in via di sviluppo, e che di conseguenza

l’impiego complessivo delle risorse idriche registrerà

un incremento pari al 40%.

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li Nel corso di questo secolo un terzo delle nazioni che

si trovano in regioni sottoposte a difficoltà idriche

potrebbe dover affrontare delle gravi carenze nella

disponibilità di acqua e, entro il 2025, due terzi della

popolazione mondiale vivrà probabilmente in nazioni

che affronteranno moderate o gravi insufficienze

idriche.

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li Le risorse di acqua dolce sono distribuite in maniera estremamente disuguale. Le zone aride e semi aride del pianeta, che costituiscono il 40% della massa terrestre, infatti, ricevono solamente il 2% delle precipitazioni globali.

L’irrigazione agricola pesa per circa il 70% sui consumi di acqua, e fino al 90% nelle zone aride dei tropici. A partire dal 1960, i consumi idrici per l’irrigazione sono aumentati di oltre il 60%.

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li

Nei paesi in via di sviluppo, fra il 90 e il 95% delle

acque di scolo e il 70% delle scorie industriali

vengono scaricate nelle acque, dove inquinano le

risorse idriche disponibili, senza ricevere alcun

trattamento.

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li

I Governi, i ministri e gli esperti idrici riunitisi in occasione della

Conferenza Internazionale sulle Acque Dolci (Bonn, Germania,

Dicembre 2001) hanno previsto che, allo scopo di raggiungere

l’Obiettivo di Sviluppo del Millennio di dimezzare entro il 2015 la

percentuale di persone che in tutto il mondo non hanno accesso

all’acqua potabile, oltre che di conseguire l’obiettivo di

dimezzare, sempre entro il 2015, il numero delle persone che

non dispongono di impianti fognari, sarebbero necessari i

seguenti provvedimenti:

1,6 miliardi di persone in più avranno bisogno di accedere a

servizi e infrastrutture adeguati per la fornitura di acqua potabile.

2,2 miliardi di persone avranno bisogno di sistemi fognari migliori

e di conoscenze igieniche più approfondite.

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Il ciclo dell’acqua L'acqua presente in natura circola e si trasforma nell'idrosfera seguendo dei

percorsi che costituiscono il cosiddetto "ciclo idrologico". Il ciclo idrologico

non ha principio né termine. A mano a mano che l'acqua evapora dagli

oceani e dalle terre, essa diviene parte dell'atmosfera. Il vapore s'innalza ed

è trasportato per l'atmosfera sino a che si condensa e precipita sulla terra

o sul mare. L'acqua precipitata può essere intercettata o traspirata dalle

piante, può scorrere in superficie o venir giù per declivi fra strati diversi del

terreno, oppure può infiltrarsi sottoterra. L'acqua che rimane alla superficie

riempie le zone più basse, si raccoglie e poi evapora oppure, dopo essersi

raccolta, scorre via in un secondo tempo. Gran parte dell'acqua intercettata

e traspirata e di quella che scorre sul terreno ritorna nell'atmosfera in

seguito ad evaporazione. L'acqua che si infiltra nel terreno può raggiungere

le regioni più profonde ed ivi raccogliersi sotto forma di acqua sotterranea,

per uscir quindi fuori come sorgente od incanalarsi in un corso d'acqua

entrando a far parte delle acque di scorrimento, ed evaporare infine

nell'atmosfera per completare così il ciclo idrologico.

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In sostanza…

La differenza tra l’acqua che arriva al suolo per le

precipitazioni – precipitation (>) e quella che lascia il

suolo per evaporazione e traspirazione -

evapotranspiration (<) è l’acqua che ritorna negli

oceani scorrendo in superficie (fiumi) o sottoterra

(acque sotterranee) - runoff.

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Gli inquinanti nell’acqua

L’acqua che viene utilizzata, una volta restituita all’ambiente è

inquinata. Le ragioni di questo sono molte. Elenchiamo le

principali.

Inquinamento sanitario

La scarsità di acqua e la sua contaminazione da parte di

microrganismi, rappresenta una delle cause più importanti di

malattia. L’Organizzazione Mondiale della Sanità ha stimato che

tale problema sia responsabile di circa cinque milioni di morti

all’anno nel mondo. Nei paesi in via di sviluppo, soprattutto in

Africa, la possibilità di usufruire di acqua potabile da parte della

popolazione potrebbe evitare circa due milioni all'anno di decessi

di bambini a causa di diarrea.

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I batteri sono responsabili della trasmissione di malattie quali colera, dissenteria, febbre tifoidea, mentre i virus sono responsabili di malattie quali epatite e poliomielite.

Altri tipi di malattie non sono determinate direttamente da microbi presenti nell’acqua, quanto piuttosto da piccoli animali che fungono da vettori di malattia. Tali animali sono ad esempio insetti che vivono in prossimità di acque (per lo più stagnanti) e che fungono da ospiti per i microrganismi patogeni che vengono inoculati nell’uomo al momento della puntura: ciò si verifica per esempio per la malaria, il cui agente responsabile (Plasmodio) e trasmesso in occasione della puntura di particolari specie di zanzare (anopheles).

Alternativamente le malattie possono essere provocate dal consumo alimentare di pesci o crostacei che a loro volta fungono da ospiti per altri microrganismi.

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Qualita’ dell’acqua

Una delle misure più importanti della qualità

dell’acqua è il quantitativo di ossigeno disciolto.

Il valore di saturazione dell’ossigeno, che dipende da

salinità e temperatura, è modesto e varia tra 8 e 15

mg di ossigeno per litro d’acqua.

Il minimo quantitativo di ossigeno raccomandato per la

vita dei pesci è di 5mg/l. In alcuni casi può essere

necessario anche un quantitativo superiore (eg. 8 mg/l

per i salmoni).

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I rifiuti organici sono sostanze che si ossidano. Quando i batteri

decompongono tali sostanze l’ossigeno disciolto nell’acqua

diminuisce, fino anche a creare problemi per la sopravvivenza

dei pesci.

Il carbonio organico può provenire sia da fonti naturali (zone

paludose), sia da fonti derivate dall’uomo (industrie o impianti di

trattamento di acque inquinate).

In acque ricche di azoto e fosforo, dove è in atto un processo di

eutrofizzazione, le stesse alghe possono divenire la principale

fonte di materiale organico e contribuire, quindi, al processo di

deossigenazione.

Anche la struttura del corpo idrico può influire; tratti di fiume

chiusi o lenti facilitano infatti l’accumulo di sostanze organiche.

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Con il termine BOD (domanda biochimica di ossigeno), si

intende la quantità di ossigeno consumato durante un tempo

determinato (5 giorni per il BOD5), ad una data temperatura, per

decomporre le sostanze organiche presenti nell’acqua attraverso

l’azione dei batteri (respirazione cellulare).

Il BOD5 rappresenta il 68% del BODtot, necessario per ossidare

tutto il substrato organico nell’arco di 20 giorni.

Un’elevata domanda biochimica d’ossigeno è l’indice di

un’intensa attività batterica di demolizione organica e potrebbe

quindi evidenziare la presenza di un inquinamento di tipo

organico. Per tale motivo, il BOD5 viene considerato come

misura della quantità dei microrganismi presenti nell’acqua

analizzata.

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La decomposizione batterica

Decomposizione batterica aerobica:

OM + O2 CO2 + H2O + Cellule + Prodotti (NO3, PO4, SO4,…)

Decomposizione batterica anaerobica:

OM CO2 + H2O + Cellule + Prodotti (H2S, NH3, CH4,…)

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Come si può calcolare il BOD?

Immaginiamo un contenitore con un certo quantitativo

di materiale organico biodegradabile. Questo

quantitativo diminuisce man mano che viene ossidato,

fino a che finisce.

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Sia Lt la quantità di ossigeno richiesta al tempo t.

Assumendo che il suo decadimento avvenga tramite

una reazione del primo ordine, abbiamo

dove k è la costante di reazione.

dL tdt

=−kL t

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La soluzione dell’equazione è

dove L0 = BODt + Lt, cioè è la quantità di ossigeno

consumata al tempo t (BODt) + la quantità di

ossigeno che rimane ancora da consumare.

L t=L 0 e−kt

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li Combinando le due equazioni si ottiene:

BODt=L0(1-e-kt)

La costante k dipende dalla temperatura secondo la

funzione seguente:

kT=k20 (T-20)

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I nutrienti nell’acqua

I nutrienti sono sostanze chimiche quali fosforo, azoto,

carbonio, zolfo, calcio, potassio, ferro, manganese,

ecc. essenziali per gli organismi viventi. In termini di

qualità dell’acqua essi sono considerati inquinanti

quando sono presenti in quantità eccessive, tanto da

provocare la crescita esagerata di piante acquatiche

(eutrofizzazione).

Nutrienti limitanti. In genere l’azoto nel mare e il

fosforo nelle acque dolci.

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L’azoto proviene da scarichi urbani, dalle

acquacolture, è contenuto nei fertilizzanti e

direttamente nell’atmosfera, particolarmente nelle

vicinanze di industrie.

Il fosforo, al contrario, non si trova negli ambienti

naturali, ma proviene principalmente dalle attività

umane, come negli scarichi agricoli e domestici (ad

es. nei detergenti).

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L’Eutrofizzazione

L'eutrofizzazione è un processo degenerativo delle

acque indotto da eccessivi apporti di sostanze ad

effetto fertilizzante (azoto, fosforo ed altre sostanze

fitostimolanti) trasportate a mare dai fiumi e dagli

insediamenti costieri.

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L’Eutrofizzazione

Le principali fonti di generazione sono costituite dal

settore agro-zootecnico e da quello civile

(insediamenti urbani). Il primo contribuisce con circa il

60 % dei carichi di azoto riversati in mare, il secondo

con circa il 50 % di fosforo. L'eutrofizzazione è un

fenomeno relativamente recente, compare in forma

acuta nell'Adriatico Nord - occidentale nella seconda

metà degli anni '60, si manifesta in molti altri mari nel

mondo (Chesapeake Bay - USA, Mare del Nord e Mar

Baltico, Baia di Tokio, ed altre aree).

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La condizione che accomuna questi casi è la forte

antropizzazione del territorio conseguente ad un

rilevante sviluppo economico e sociale, ed il fatto che i

bacini idrografici che attraversano queste aree scaricano

le loro acque in mari semichiusi. E' in sostanza un

fenomeno totalmente attribuibile alla pesante presenza

dell'uomo sul territorio.

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Il fenomeno si manifesta con alterazione del colore e

della trasparenza delle acque per le alte concentrazione

di microalghe (il cosiddetto fitoplancton) in sospensione.

Tale processo può avere ricadute sull'ambiente molto

negative; nel periodo estivo - autunnale, quando le

acque sono calde e calme e si hanno pertanto marcate

stratificazioni, si possono generare diffuse e persistenti

carenze di ossigeno nelle acque di fondo con stati di

sofferenze nelle comunità bentoniche (pesci di fondo,

molluschi, crostacei, ecc.).

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li Per riuscire a ripristinare condizioni equilibrate, tali da ridurre la

frequenza dei casi acuti di eutrofizzazione senza incidere sulla

produttività/pescosità delle zone costiere, occorre mettere in atto

misure atte a ridurre i carichi delle principali sostanze

eutrofizzanti (azoto e fosforo). Dopo l'importante risultato legato

all'abbattimento del fosforo nei detersivi occorrerebbe andare

oltre con azioni ed interventi capaci di ridurre ulteriormente i

contributi di sostanze ad effetto eutrofizzante provenienti dal

settore agrozootecnico (per l'azoto) e da quello civile (per il

fosforo).

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Inquinamento da surriscaldamento

I grandi impianti di generazione dell’energia

richiedono l’utilizzo di molta acqua calda. Se il calore

viene successivamente rilasciato in un fiume locale o

in un lago l’innalzamento risultante di temperatura può

causare danni all’ecologia del sistema.

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I Pesticidi

L'uso dei composti agrochimici ha alterato gli ecosistemi

sia relativamente alla fauna che alla flora; le conseguenze

più rilevanti sono state: la riduzione della variabilità

genetica dei sistemi viventi, i processi di eutrofizzazione

delle acque dolci e di quelle marine, l'alterazione chimico-

fisica e biologica dei suoli.

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I Pesticidi

Studi sulla diffusione, la trasformazione, la persistenza e

l'accumulazione nei tessuti di piante e animali dei prodotti chimici

impiegati nei processi agricoli, mettono in evidenza aspetti più

complessi delle interferenze indotte da tali prodotti sulle strutture e

sulle funzioni degli ecosistemi. Sempre più evidenti risultano i danni

per la salute e per l'ambiente derivanti da un eccessivo e crescente

inserimento di composti chimici in agricoltura, sia in termini di

accumulazione di residui tossici e cancerogeni nel tessuto adiposo di

uomini e animali, che di avvelenamento dei suoli, delle acque

sotterranee e di superficie etc.

Notevoli sono i danni ambientali causati dai fertilizzanti chimici che si

aggiungono al suolo per mantenerne o aumentarne la produttività e

quindi la resa delle colture.