Univ. Cattolica del S. CuoreIstituto di Chimica Agraria ed Ambientale

Sez. Chimica Vegetale

CaratterizzazioneCaratterizzazione chimicachimica deideifanghifanghi didi depurazionedepurazione

M. Nicelli, C. Bedeschi, R. Boccelli, E. Ottico, M. Trevisan

Piacenza, 22 novembre 2005Centro Studi Cassa di Risparmio diParma e Piacenza – Gruppo Intesa

Normativa di riferimentoNormativa di riferimentoDelibera Giunta Regionale n 2773 del 30/12/2004 e successive modifiche (G.R. 14/2/2005, n. 285)

Determinazioni del Direttore generale Ambiente e Difesa del Suolo e della Costa n. 11046 del 29/7/2005: Orientamenti tecnici inerenti le metodiche di analisi dei fanghi di depurazione utilizzati in agricoltura

CaratterizzazioneCaratterizzazione deidei fanghifanghiParametri chimico fisici Tabella A 1

pH Salinità (meq/100 g)Sost. Secca (residuo a 105°C) Indice SAR (se salinità > 50)Residuo secco a 550°C Grado di umificazione DH

Metalli e non metalli Tabella A 2

Cadmio PiomboCromo Totale RameMercurio ZincoNichel Arsenico

Parametri agronomici Tabella A 3

Carbonio OrganicoAzoto totaleFosforo totale

Caratteristiche microbiologiche Tabella A 4

Salmonelle

Composti/sostanze organiche persistenti Tabella B

AOXcomposti alogenati comprendenti almeno lindano, endosulfan, tricloroetilene, tetracloroetilene, clorobenzeni

LAS alchilbenzensolfonato lineare

DEHP di(2-etilesil)ftalato

NPE nolilfenolo e nolilfenolo mono e di etossilato

PAHacenaftene, fenantrene, fluorene, fluorantene, pirene, benzo(b,j,k)fluorantene, benzo(a)pirene, benzo(g,h,i)perilene, indeno(1,2,3-c,d)pirene

PCB 28, 52, 101, 118, 138, 153, 180

PCDD policlorodibenzodiossine

PCDF policlorodibenzofurani

Risultati prima caratterizzazioneRisultati prima caratterizzazione

Le analisi sono cominciate nel febbraio 2005

Per i parametri in tabella A sono stati analizzati 306 campioni

Per i parametri in tabella B sono stati analizzati 196 campioni

Parametri chimico fisici Tabella A 1mediana media d.s.

Residuo secco 105° C (%) 17.9 19. 6 12.2pH 7.3 8.0 3.9

Metalli e non metalli Tabella A 2

limite di legge Campionifuori norma

Mediana media d.s.

Cr totale ≤ 1000 mg/kg ss 0 46 70 89Cd ≤ 20 mg/kg ss 1 1.5 1.9 2.5Ni ≤ 300 mg/kg ss 1 42 51 43Pb ≤ 750 mg/kg ss 0 44 57 54Cu ≤ 1000 mg/kg ss 2 292 303 179Zn ≤ 2500 mg/kg ss 19 759 1126 1370As ≤ 10 mg/kg ss 3 1.7 2.6 2.5Hg ≤ 10 mg/kg ss 1 0.8 1.1 0.9

Parametri agronomici Tabella A 3

limite dilegge

Campioniinferiori al

limite minimo

mediana media d.s.

Carbonio organicototale

≥ 20% 44 27.7 26.7 7.6

N totale Kjeldhal ≥ 1.5% 15 4.2 4.2 1.6

Caratteristiche microbiologiche Tabella A 4

limite dilegge

Campionifuori norma

mediana media d.s.

Salmonelle in 1 g ≤ 1000 MPN 0Nota: sempre assenti eccetto 6 casi, tutti al di sotto del limite di legge.

Composti/sostanze organiche persistenti Tabella B

limite di leggeCampioni

fuorinorma

mediana media d.s.

PCB < 0.8 mg/kgss 1 0 0.02 0.18PCDD **** < 100 ngTE/kgss 0

AOX * < 500 mg/kgss 0LAS** < 2600 mg/kgss 35 146 1655 3015DEHP < 100 mg/kgss 2 7 15 34NPE*** < 50 mg/kgss 6 0.4 14 18PAH < 6 mg/kgss 2 0.3 0.7 1.6

PCDF **** < 100 ngTE/kgss 0

* = sempre < 40 mg/kgss, escluso un caso con valore 90 mg/kgss

**** = sempre < 20 ng TE/kgss

*** = come eq. 4–n-Nonilfenolo** = sommatoria LAS classi C10, C11, C12 e C13 con relativi isomeri

Dati di letteraturaDati di letteraturaLAS mg/kgss NP mg/kgss Autori

9,3-18,8 - Holt e Berstein, '924 (media) 1 (media) Brunner et al., '88

21200-39700 - Ruitz Bevia, '895000-15000 - Ruitz Bevia, '89

- 26-1100 Wahlberg et al., '8950-5900 150-2200 Siegrist., '89

5200 (media) 1000 (media) Marcomini et al., '89195-9160 7-375 Witte, '89

2900-11900 - McEvoy et al., '87- 450-2530 Wahlberg et al., '89 (aerobici)- 80-310 Shaffner, '83 (anaerobici)

Commento risultatiCommento risultati

Su oltre 300 campioni:- 27 non risultano a norma per il contenuto di metalli

(soprattutto Zn)- 44 non avevano un contenuto di Carbonio minimo- 15 non avevano un contenuto di Azoto minimo

Su quasi 200 campioni:- 35 LAS oltre i limiti di legge- 2 DEHP oltre i limiti di legge- 6 eq 4-n-Npe oltre i limiti di legge- 2 PAH oltre i limiti di legge- 1 PCB oltre i limiti di legge

ProblemiProblemi

-Isomeri LAS e NPE

-Mancanza di metodi convalidati per LAS e NPE

-Campioni con sostanza secca < 5%

-Rappresentatività del campione

ProblemiProblemi

-Isomeri LAS e NPE-Mancanza di metodi convalidati per LAS e NPE

-Campioni con sostanza secca < 5%

-Rappresentatività del campione

Problematiche identificativeProblematiche identificativePossibili forme dei LAS:6 classi: C9, C10, C11, C12, C13, C14, C15Complessivamente 33 isomeri identificatiIn commercio C10:C11:C12:C13=13:30:33:24In acqua C10:C11:C12:C13 =45:30:23:2In fango C10:C11:C12:C13 =7:24:39:30

22 possibili isomeri per ogni NP, NPE mono etossilato e NPE di etossilato

EC50 NOEC LC50 NOECC10 16,7 9,8 39,6 14C11 9,2 - 18,8 6,4C12 4,8 0,58 3,2 0,67C13 2,35 0,57 1,04 0,1C14 1,5 0,1 0,5 0,05

Catena alchilicaInvertebrati (Daphnia magna ) Pesci (Pimephales promelas )

Tossicità media misurata in acqua (mg/l) dei LAS omologhi

Decreto 6 novembre 2003, n. 367 sicurezza delle acque (GU n. 5 del 8-1-2004)

CompostoAcque dolci

superf.lagune e marine

Acque dolci superf.

lagune e marine

Nonilfenoli 0.3 0.03 0.03 0.0034(para)-Nonilfenolo 0.01 0.006 0.001 0.0006

2008 (mg/l) 2015 (mg/l)

ProblemiProblemi

- Isomeri LAS e NPE

- Mancanza di metodi convalidati per

LAS e NPE- Campioni con sostanza secca < 5%

- Rappresentatività del campione

Metodo estrazione LASMetodo estrazione LASPesata 10 g fango

+ 20 Na2So4

Soxhlet 400 ml metanolo

Evaporatore rotante concentrazione a 10

ml in metanolo

Centrifugazione 5 min 2000 gir/min

Purificazione con SPE-SAX

Eluizione con 10 ml metanolo:HCl 1%

Determinazione LAS con HPLC-MS

Centrifugazione 5 min 2000 gir/min

SO3Na

CH3(CH2)nCH(CH2)nCH3

Analisi LAS HPLCAnalisi LAS HPLC--MSMSCaratteristiche strumentali Gradiente di

flussoTIC

Cromatogramma

Analisi singoli LAS

C13

C12

C11

C10

HPLC-MS Thermo Finnigan Surveyor MSQ plus

Colonna Hypersil Gold C18 lunga 100 mm x 4,6 mm x 5µm

Acquisizione dati in full scan ESI negativo e analisi dei dati in base al frammento rappresentativo e riconoscimento per confronto di spettro.

Analisi LAS HPLCAnalisi LAS HPLC--MSMSCaratteristiche strumentali Gradiente di

flussoTIC

Cromatogramma

Analisi singoli LAS

Tempo (min)

Flusso(ml/min)

Acetonitrile(%)

Acqua0,1% ac Formico

(%)0.0 0.300 50.0 50.01.0 0.300 50.0 50.07.0 0.300 100.0 0.0

15.00 0.300 100.0 0.020.00 0.300 50.0 50.030.00 0.300 50.0 50.0

C13

C12

C11

C10

Analisi LAS HPLCAnalisi LAS HPLC--MSMSCaratteristiche strumentali Gradiente di

flussoTIC

Cromatogramma

Analisi singoli LAS

Analisi in SIM dal full scanC10 = 297 m/zC11 = 311 m/zC12 = 325 m/zC13 = 339 m/z

C13

C12

C11

C10

Analisi LAS HPLCAnalisi LAS HPLC--MSMSCromatogramma mix LAS 650 mg/l TIC e

SIM per C10, C11, C12 e C13

Analisi LAS HPLCAnalisi LAS HPLC--MSMS

ConvalidaConvalida del del metodometodo

• Recupero 70%• Ripetibilità 20 %• Limite di rivelabilità 10 mg/kg sul tal quale• L’intervallo di linearità va 10 a 650 mg/kg• R2 = 0.99

Metodo estrazione NPEMetodo estrazione NPEPesata 20 g fango

+ 40 g Na2So4

Soxhlet 200 ml esano:acetone 4:1

Evaporatore rotante a secco 10 ml esano

Centrifugazione

Concentrazione in corrente d’azoto fino

a 1 ml

Iniezione in GC-MS

Ricerca NPE

OH

(CH2)8CH3

Metodo analitico GCMetodo analitico GC--MS MS multiresiduomultiresiduoCaratteristiche strumentali Programmata di

temperaturaTIC

Cromatogramma

Analisi NPE Gc-Ms Agilent 5973n EI singolo quadrupolo

Colonna 5% polysilarylene – 95% Polydimethylsiloxane

30m x 0,25 mm I.D. 0,25 µm fase legata

Iniezione in splitless a 250 °C Transfer line a 290 °C

Carrier gas He

Acquisizione dati in full scan e analisi dei dati in base al frammento rappresentativo e riconoscimento per confronto di spettro.

Metodo analitico GCMetodo analitico GC--MS MS multiresiduomultiresiduoCromatogramma e spettro del 4-n-NP

Metodo analitico GCMetodo analitico GC--MS MS multiresiduomultiresiduoCromatogramma e spettro del mix 4-NPE mono etossilato

Metodo analitico GCMetodo analitico GC--MS MS multiresiduomultiresiduoCromatogramma e spettro del mix 4-NPE dietossilato

Metodo analitico GCMetodo analitico GC--MS MS multiresiduomultiresiduoCromatogramma e spettro di un campione

ConvalidaConvalida del del metodometodo• Recupero 85%• Ripetibilità 20 %• Limite di rivelabilità 0.05 mg/kg sul tal quale• L’intervallo di linearità va 0.05 a 80 mg/kg• R2 = 0.99

ProblemiProblemi

-Isomeri LAS e NPE

-Mancanza di metodi convalidati per LAS e NPE

-Campioni con sostanza secca < 5%

-Rappresentatività del campione

Problematiche analiticheProblematiche analitiche

Con valori di sostanza secca < 5% risulta difficoltoso garantire la ripetibilità

Con una ripetibilità analitica del 20% il possibile errore può essere del 400%

Fanghi poco omogeneiRischio di variabilità dei risultati specialmente con bassi valori di sostanza secca

ProposteProposte

Identificare quali LAS e NPE sono pericolosi o quali di essi possono essere rappresentativi del potenziale rischioRicalibrare i limiti di legge sulle sostanze individuate

Organizzare circuiti interlaboratorio per convalidare i metodi

Per fanghi a bassa sostanza secca esprimere il valore come tal quale e non su sostanza secca