corso di: dinamica degli inquinanti - uniroma2.it · • salinita’ (intermedia tra acque dolci e...

Corso di:DINAMICA DEGLI INQUINANTI

Acque superficiali

Parte 4 (12) Università di Roma “Tor Vergata”

Anno Accademico 2009-2010ing. Simona Berardi

Acque superficiali

ARGOMENTI TRATTATI:

• Classificazione delle acque superficiali• Sorgenti e tipologie di inquinamento• Inquinamento dei laghi

• Stratificazione termica• Idrodinamica• Eutrofizzazione

Acque superficiali

INTRODUZIONEINTRODUZIONE

L’ambiente acquatico si classifica in:1. Ambiente di ACQUA DOLCE2. Ambiente MARINO3. Ambiente degli ESTUARI

1. L’ AMBIENTE DI ACQUA DOLCE si classifica in:1a. ACQUE LENTICHE1b. ACQUE LOTICHE

Acque superficiali INTRODUZIONEINTRODUZIONE1a. ACQUE LENTICHE (laghi, stagni, paludi)1a. ACQUE LENTICHE (laghi, stagni, paludi)I principali fattori che caratterizzano questo ambiente sono:• REGIME TERMICO (stratificazione termica);• DISPONIBILITA’ DI NUTRIENTI;• DISPONIBILITA’ DI OSSIGENO (l’ossigeno non risulta uniformemente

distribuito).

1b. ACQUE LOTICHE (sorgenti, fiumi, corsi d1b. ACQUE LOTICHE (sorgenti, fiumi, corsi d’’acqua)acqua)I principali fattori che caratterizzano questo ambiente sono:• REGIME TERMICO (non esiste stratificazione termica);• DISPONIBILITA’ DI NUTRIENTI;• DISPONIBILITA’ DI OSSIGENO (l’ossigeno risulta uniformemente

distribuito).

Per nutrienti si intende un certo numero di elementi chimici che sono fondamentali per la riproduzione degli organismi cellulari.

Acque superficiali INTRODUZIONEINTRODUZIONE2. Ambiente MARINO2. Ambiente MARINOI principali fattori che caratterizzano questo ambiente sono:• TEMPERATURA (da 2,2 °C a 32 °C);• GAS (funzione della temperatura e della profondità);• SALINITA’ (valore medio ≅ 3,5 %);• PROFONDITA’ (valore medio oceani ≅ 3.800 m

valore massimo oceani ≅ 11.500 m);• PRESSIONE (aumenta di 0,1 atm/m);• LUCE SOLARE (penetra fino a circa 180 m, riducendosi fino a scomparire

a 1.200 m);• MOVIMENTI DELLE ACQUE (es. moto ondoso, maree,…).

3. Ambiente degli ESTUARI (foci dei fiumi, baie, lagune)3. Ambiente degli ESTUARI (foci dei fiumi, baie, lagune)I principali fattori che caratterizzano questo ambiente sono:• SALINITA’ (intermedia tra acque dolci e acque marine)• DISPONIBILITA’ DI NUTRIENTI• DISPONIBILITA’ DI OSSIGENO

Acque superficiali INTRODUZIONEINTRODUZIONESORGENTI DI INQUINAMENTOSORGENTI DI INQUINAMENTO

Le sorgenti di inquinamento possono essere distinte in:

•• PUNTUALI:PUNTUALI:• Acque di scarico urbano

• Residui metabolici (scarichi di fognatura)• Residui da attività domestiche

• Acque di scarico industriale (a composizione organica e/o inorganica)Poiché tali sorgenti sono immesse nel corpo idrico superficiale (recettore) in

un determinato punto, le stesse possono essere sottoposte a specifici trattamenti, a mezzo di impianti di depurazione.

•• DIFFUSE:DIFFUSE:• Acque di scarico urbano (es. dilavamento strutture urbane)• Acque di scarico agricolo o zootecnico

Poiché tali tipologie di sorgenti sono immesse nel corpo idrico superficiale in modo diffuso, quindi non in un punto specifico, risulta difficile effettuare una depurazione di tali acque.

Acque superficiali INTRODUZIONEINTRODUZIONETIPOLOGIE DI INQUINAMENTOTIPOLOGIE DI INQUINAMENTO

Le principali tipologie di inquinanti sono:

•• INQUINAMENTO DI ORIGINE MICROBIOLOGICA (batteri, virus, INQUINAMENTO DI ORIGINE MICROBIOLOGICA (batteri, virus, parassiti):parassiti):

La presenza di sostanze organiche costituisce un aggravante per l’inquinamento microbiologico; infatti la sostanza organica rende l’acqua un buon mezzo di coltura per numerosi microorganismi che altrimenti non sopravvivrebbero.


•• INQUINAMENTO DI ORIGINE CHIMICA:INQUINAMENTO DI ORIGINE CHIMICA:1. SOSTANZE ORGANICHE BIODEGRADABILI: derivano da un

inquinamento di origine sia naturale che antropico (domestico, industriale, agricolo). Giunte nel corpo idrico superficiale, a seconda della disponibilità di ossigeno, vanno incontro ad un METABOLISMO:• AEROBIO (le sostanze organiche sono ridotte a composti

semplici , non tossici e inodore; es. nitrati, solfati, ecc.);• ANAEROBIO (i composti finali della attività metabolica sono

tossici e maleodoranti; es. ammoniaca, idrogeno solforato, ecc.). Inoltre si ha anche formazione di METANO per combinazione diretta di carbonio e idrogeno.

Tre ioni sono legati ad un inquinamento da sostanza organica:CLORO: perché presente in grande quantità nei liquidi biologici umani e animali;CALCIO e MAGNESIO: normalmente il contenuto di Calcio èsuperiore a quello del Magnesio (in rapporto 1:5 o 1:10). Se c’è attività biologica il rapporto si inverte, quindi CMg ≥ CCa èun indicatore di inquinamento organico.


•• INQUINAMENTO DI ORIGINE CHIMICA:INQUINAMENTO DI ORIGINE CHIMICA:2. SOSTANZE TOSSICHE

a.a. METALLI PESANTIMETALLI PESANTI• PIOMBO (Pb): deriva soprattutto da inquinamento

atmosferico;• ARSENICO (As): deriva principalmente da dilavamento del

terreno inquinato da pesticidi a base di arsenico o da residui di lavorazioni minerarie (*)(*);

• CROMO (Cr): deriva da residui di industrie metalmeccaniche, concerie, industria estrattiva del petrolio;

• CADMIO (Cd): componente di concimi fosfatici o di pesticidi, estrazione dello zinco, industria ceramica;

• MERCURIO (Hg): componente di pesticidi a base di mercurio, impianti cloro-soda.


•• INQUINAMENTO DI ORIGINE CHIMICA:INQUINAMENTO DI ORIGINE CHIMICA:2. SOSTANZE TOSSICHE

b.b. ALTRI IONI (es. ALTRI IONI (es. CIANURICIANURI)): derivano essenzialmente da industria metalmeccanica e da attività mineraria (estrazione dell’oro) (**)(**)

c.c. ALTRE SOSTANZE TOSSICHEALTRE SOSTANZE TOSSICHE• IDROCARBURI POLICICLICI AROMATICI (IPA): derivano da

dilavamento stradale, lavorazione del bitume, ecc..• PESTICIDI e FERTILIZZANTI: utilizzati in agricoltura.

3.3. PETROLIOPETROLIO: lavaggio dei serbatoi effettuato dalle petroliere in alto : lavaggio dei serbatoi effettuato dalle petroliere in alto mare, svuotamento delle sentine delle navi, incidenti delle petrmare, svuotamento delle sentine delle navi, incidenti delle petroliere, oliere, ecc.)ecc.)

4.4. DETERGENTI: DETERGENTI: a.a. TENSIOATTIVITENSIOATTIVI (sostanze ad attivit(sostanze ad attivitàà detergente, in grado di detergente, in grado di

““combinarsicombinarsi”” con le particelle di grasso e di portarle in soluzione)con le particelle di grasso e di portarle in soluzione)b.b. COADUIVANTI (additivi dei tensioattivi). In passato erano utilizCOADUIVANTI (additivi dei tensioattivi). In passato erano utilizzati zati

come coadiuvanti i POLIFOSFATI responsabili dellcome coadiuvanti i POLIFOSFATI responsabili dell’’eutrofizzazione eutrofizzazione delle acque. Oggi il contenuto massimo delle acque. Oggi il contenuto massimo èè pari allpari all’’1%.1%.

Acque superficiali INTRODUZIONEINTRODUZIONE

(*) Incidente di AZNALCOLLAR (SPAGNA – 1998):Incidente avvenuto il 25 aprile 1998 nell’impianto della BOLIDEN-APIRSA che sfruttava un giacimento minerario. Le materie prime prodotte dalla miniera erano: ZINCO, ARGENTO, PIOMBO e RAME. I residui di lavorazione (ARSENICO, CADMIO e TALLIO) venivano scaricati in un bacino artificiale di decantazione (di superficie pari a circa 1,5 km2). L’incidente è avvenuto a seguito del cedimento della diga di contenimento del bacino: 3.000.000 m3 di fanghi e 4.000.000 m3 di acqua si sono riversati nell’ambiente inquinando 4.500 ettari di terreno ed il fiume Guadiamar.

(**) Incidente di BAIA MARE (ROMANIA – 2000):Il 30 gennaio 2000 ha ceduto una diga presso la fonderia Aurul della miniera d’oro di Baia Mare a Sasar (Romania). Circa 100.000 m3 di fanghi e acque reflue, con tenore di CIANURO pari a 126 mg/l si sono riversati nel fiume Lapus, hanno raggiunto il fiume Tibisco e un tratto del Danubio, fino a sfociare nel Mar Nero. Questo rappresenta un esempio di grave e acuto inquinamento transfrontaliero che ha coinvolto Romania, Ungheria, Repubblica Federale di Iugoslavia. Il 1 febbralio 2000 nel fiume Lapus si sono registrati livelli di contaminazione pari a 7,8 mg/l (mentre il limite massimo nelle acque superficiali è di 0,01 mg/l).L’ondata di contaminazionbe di 30-40 km ha spazzato flora e fauna nella parte centrale del fiume Tibisco.La scia di Cianuro era rilevabile nel delta del Danubio a quattro settimane dal disastro e a 2000 km dal punto di fuoriuscita.


•• INQUINAMENTO DI ORIGINE FISICA:INQUINAMENTO DI ORIGINE FISICA:1.1. INQUINAMENTO TERMICOINQUINAMENTO TERMICO::Tale tipologia di inquinamento consiste nella immissione in acque superficiali

di scarichi liquidi aventi una temperatura più elevata del corpo idrico recettore. Tali scarichi possono verificarsi per centrali termoelettriche, termonucleari e per tutti gli impianti che utilizzano acqua per i processi di raffreddamento).

Gli effetti sui corpi idrici recettori possono essere i seguenti:− Diminuzione della solubilità dell’ossigeno;− Accelerazione dei processi metabolici (ciò comporta un maggiore

consumo di O2);− Aumento del metabolismo dei batteri (se c’è O2 a sufficienza, accelera

l’auto purificazione del corpo idrico);− Sugli organismi viventi superiori ha differenti effetti a seconda delle

specie.


•• INQUINAMENTO DI ORIGINE FISICA:INQUINAMENTO DI ORIGINE FISICA:

2.2. INQUINAMENTO RADIOATTIVOINQUINAMENTO RADIOATTIVO::Deriva essenzialmente dalla estrazione dell’Uranio dai minerali che lo

contengono. Altra sorgente, oggi vietata, è rappresentata dalle esplosioni nucleari nell’atmosfera, con conseguente ricaduta a terra di materiale radioattivo (fall-out radioattivo).

3. INQUINAMENTO DOVUTO A MATERIALE IN SOSPENSIONE:I solidi in sospensione presenti nelle acque riducono notevolmente la

penetrazione della luce (impedendo lo svolgersi della funzione fotosintetica) e occludono gli organi respiratori dei pesci (branchie) e ricoprono i fondali.

Acque superficiali INTRODUZIONEINTRODUZIONETrasporto e diffusione di sostanze nei corpi idrici superficiali.

Aspetti fondamentali.Il trasporto e la diffusione di sostanze (ad es. contaminanti, inquinanti, sedimenti in

sospensione etc.) o grandezze fisiche (ad es. variazioni di temperatura causate da scarichi a valle di impianti industriali) all’interno di un corpo idrico superficiale – ove per corpi idrici superficiali si intendono fiumi, laghi ed acque costiere in moto turbolento sono fenomeni profondamente interconnessi.

Dal punto di vista applicativo, i problemi di trasporto e diffusione turbolenta di sostanze o grandezze fisiche nei corpi idrici assumono rilevanza sempre maggiore: la comprensione di tali problemi costituisce infatti la necessaria premessa ad ogni intervento volto a preservare e migliorare la qualità dei fluidi ambientali.

L’equazione di trasporto-diffusione (modello matematico fondamentale che governa i processi di trasporto e diffusione) della concentrazione di sostanza c in un corpo fluido in movimento assume la forma:

Nel seguito saranno affrontati alcuni aspetti specifici dei corpo idrici: laghi e fiumi.

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂

∂∂

=∂∂

+∂∂

=iii

i xcD

xxcu

tc

DtDc ⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

∂∂

∂∂

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂

∂∂

=∂∂

+∂∂

=j

ijiiii

ixcK

xxcD

xxcu

tc

DtcD

DIFFUSIONE dovuta alla

TURBOLENZA

CONVEZIONE dovuta al MOTO

MEDIODIFFUSIONE

MOLECOLARE

Acque superficiali INQUINAMENTO DEI LAGHIINQUINAMENTO DEI LAGHI


In generale, a causa della grande disponibilità di acqua di diluizione, difficilmente i laghi sono soggetti ad inquinamento di tipo acuto, se non nelle immediate vicinanze della zona in cui è avvenuta l’immissione o lo sversamento).

Quindi i laghi hanno una maggiore capacità, rispetto ai fiumi, di assorbire e minimizzare i danni conseguenti a sversamenti.

Però, a causa dello stato di quiete delle sue acque e del lento ricambio idrico, esso tende ad accumulare nel suo bacino ogni forma di inquinante; tale accumulo a lungo andare determina un peggioramento della qualitàdelle acque (inquinamento diffuso e cronico).

Quindi, le conseguenze dell’inquinamento dei laghi si manifestano con molto ritardo rispetto ai fiumi. Però, anche gli effetti positivi derivanti da un intervento di risanamento risentono del lungo periodo necessario per il ricambio idrico (anni, a volte anche decine di anni).

Acque superficiali


FIUMI: Nelle correnti fluviali la principale sorgente di trasporto e diffusione turbolenta è costituita dal moto predominante della corrente che a sua volta èdeterminato e governato dalla forza di gravità. Tale moto si presenta con una marcata unidimensionalità, tale da rendere possibile, in molti casi, l’adozione di modelli semplificati ottenuti mediando lungo la verticale o sull’intera sezione le equazioni di bilancio della massa e della quantità di moto.

LAGHI: Completamente diverso si presenta lo studio del trasporto turbolento nei laghi. Infatti in tali corpi idrici i moti predominanti sono legati alle differenze di densità, indotte dalla distribuzione di temperatura all’interno del corpo idrico, e alla azione del vento sulla superficie. Tali moti presentano in generale una marcata tridimensionalità e assenza di direzioni preferenziali e sono legati al ciclo termico stagionale.

INQUINAMENTO DEI LAGHIINQUINAMENTO DEI LAGHI


STRATIFICAZIONE TERMICA DEI LAGHI STRATIFICAZIONE TERMICA DEI LAGHI (in climi temperati)(in climi temperati)

Sono principalmente due i processi che sono alla base del processo di mescolamento: quello turbolento legato all'azione del vento e quello convettivo dovuto ai valori delle densità alle diverse profondità. Gli effetti di eventuali immissioni o di efflussi dal lago sono generalmente trascurabili se non localmente (soprattutto per laghi di grandi dimensioni): le correnti indotte sono piccole e quindi gli sforzi di taglio che inducono al mescolamento possono essere considerati nulli. Nei laghi le differenze di densità sono legate esclusivamente alle differenze di temperatura, pertanto si potranno avere gradienti di densità solo se vi sono gradienti di temperatura. L’andamento della densità dell’acqua in funzione della temperatura èmostrato in figura. ρ

La densità:

- presenta un massimo in corrispondenza alla temperatura di TM=4°C;

- è sempre decrescente con la temperatura per T>TM: ∂ρ/ ∂T > 0;

- è crescente con la temperatura per T<TM: ∂ρ/ ∂T < 0.


STRATIFICAZIONE TERMICA DEI LAGHI (in climi temperati)STRATIFICAZIONE TERMICA DEI LAGHI (in climi temperati)

Dunque:

- una distribuzione di densità decrescente verso l’alto o costante con la quota costituisce rispettivamente una stratificazione stabile o indifferente, nel senso che inibisce o non favorisce i moti verticali legati alle differenze di densità;

- una distribuzione di densità crescente verso l’alto invece favorisce i moti legati alle differenze di densità.

Come già detto, nei laghi le differenze di densità sono legate esclusivamente alle differenze di temperatura, pertanto si potranno avere gradienti di densità solo se vi sono gradienti di temperatura.

Quindi, uno dei più importanti parametri in un lago è la distribuzione verticale della temperatura.

La stabilità termica gioca un ruolo fondamentale non solo per gli scambi verticali di energia ma anche di altri elementi quali Ossigeno Disciolto (DO), Fosforo (P), Azoto (N).

Maggiore è il gradiente termico verticale (∂T/∂z) minori risultano essere gli scambi lungo la verticale.


STRATIFICAZIONE TERMICA DEI LAGHI (in climi temperati)STRATIFICAZIONE TERMICA DEI LAGHI (in climi temperati)Nei laghi la distribuzione di temperatura lungo la profondità varia fondamentalmente in funzione delle stagioni e della posizione geografica del lago. Si consideri l’esempio di un lago posto in climi temperati; in tal caso alla fine della stagione invernale, ossia in primavera, il lago presenta, a tutte le profondità, una temperatura pari a circa 4°C. Moti favoriti da gradienti di densità sono dunque assenti e gli unici moti possibili sono dovuti all'azione del vento, che può facilmente provocare un rimescolamento delle acque più superficiali, a contatto con l'atmosfera e quindi contenenti abbondante ossigeno disciolto, con quelle sottostanti. La circolazione primaverile (circolazione indotta dal vento) che così si instaura ricarica di ossigeno l'intera colonna d'acqua (vedi figura).


STRATIFICAZIONE TERMICA DEI LAGHI (in climi temperati)STRATIFICAZIONE TERMICA DEI LAGHI (in climi temperati)Con l'avanzare della primavera, l'apporto di calore attraverso la radiazione solare determina un innalzamento della temperatura delle acque superficiali. L’azione meccanica del vento sulla superficie libera potrà operare un certo rimescolamento delle acque più superficiali (più calde e quindi meno dense) con quelle immediatamente sottostanti (più fredde e quindi più dense), contribuendo così alla distribuzione del calore dagli strati più superficiali a quelli via via più profondi. Tuttavia, con il progredire della stagione calda, tra acque superficiali ed acque profonde andrà formandosi un gradiente termico, e quindi di densità, sempre più elevato e comunque tale da inibire il rimescolamento ad opera del vento. Nella stagione calda, quindi, si avrà nel lago uno strato superficiale caldo (epilimnio) separato dalle acque profonde uniformemente fredde (ipolimnio) da uno strato di passaggio (metalimnio), caratterizzato da un rapido abbassamento della temperatura con il crescere della profondità. In questa situazione di stratificazione estiva lo scambio di ossigeno tra le acque superficiali e quelle profonde è quasi nullo, in quanto la distribuzione della densità lungo la verticale è tale da inibire eventuali moti di rimescolamento. Addirittura, se il lago èmolto produttivo l'ossidazione della sostanza organica può consumare completamente l'ossigeno disciolto nelle acque ipolimnetiche arrivando a determinare una situazione di anossia, ovviamente incompatibile con la vita degli organismi acquatici.



Quindi, in un lago nel periodo della sua stratificazione (periodo estivo),, risulta suddiviso in diversi strati:• EPILIMNIO: è lo strato più superficiale in cui la temperatura è più vicina a quella atmosferica e in cui è massimo il mescolamento turbolento causato dagli sforzi del vento in superficie. Tale strato ha uno spessore variabile che tende ad aumentare all’aumentare della temperatura atmosferica.• METALIMNIO o TERMOCLINO: è lo strato in cui è maggiore il gradiente di temperatura, in questa parte si ha un flesso nel profilo della temperatura (∂2T/∂z2=0). • IPOLIMNIO: è lo strato più profondo caratterizzato da una temperatura costante pari a circa 4°C

T ≅ 4°C T ≅ 15°C


STRATIFICAZIONE TERMICA DEI LAGHI (in climi temperati)STRATIFICAZIONE TERMICA DEI LAGHI (in climi temperati)In autunno l'acqua superficiale si raffredda, diventa più densa e scende verso il fondo, trovandosi in condizioni di instabilità (il gradiente della densità lungo la verticale diviene positivo), determinando la completa circolazione delle acque e favorendo l’apporto di ossigeno all’intero corpo idrico. Quindi la circolazione autunnale è indotta dai gradienti di densità, oltre che all’azione del vento.Alla fine della stagione autunnale, il lago si trova ad avere una distribuzione di temperatura uniforme e pari a 4°C (vedi figura). In tale situazione, i moti favoriti da gradienti di densità sono assenti e gli unici moti possibili sono dovuti all'azione del vento.


STRATIFICAZIONE TERMICA DEI LAGHI (in climi temperati)STRATIFICAZIONE TERMICA DEI LAGHI (in climi temperati)In inverno gli strati superficiali del lago si raffreddano maggiormente di quelli sottostanti, con formazione di uno strato ghiacciato. L'anomalia di comportamento della densità dell'acqua ha come conseguenza il fatto che lo strato superficiale più freddo, meno denso, si trova sopra gli strati più profondi a 4 °C e dunque più densi. Si ha cosìla stratificazione invernale (vedi figura).


STRATIFICAZIONE TERMICA DEI LAGHI (in climi temperati)STRATIFICAZIONE TERMICA DEI LAGHI (in climi temperati)I laghi sono suddivisibili in funzione del numero di rimescolamenti che hanno durante l’anno:- di tipo polare, laghi che non hanno mai rimescolamenti in quanto rimangono permanentemente coperti dal ghiaccio. In essi non si verifica mai la piena circolazione; perciò questi laghi molto particolari sono detti LAGHI AMITTICI.- di tipo sub-polare, che presentano la superficie libera dai ghiacci solo per un breve periodo estivo. Questi laghi hanno un solo periodo di isotermia e quindi un'unica piena circolazione (estate) (LAGHI MONOMITTICI FREDDI).- di tipo temperato, con temperatura superficiale inferiore a 4°C in inverno, anche se possono non gelare, e superiore a 4°C in estate. Sono laghi che hanno un ciclo termico come quello illustrato sopra; poiché hanno due periodi di isotermia e quindi due piene circolazioni l'anno sono LAGHI DIMITTICI.-di tipo sub-tropicale. Questa categoria include anche i laghi della regione mediterranea, nei quali la temperatura è sempre superiore, anche negli strati profondi, a 4°C. In essi si verifica annualmente un solo periodo di isotermia (fine inverno) e quindi una sola piena circolazione (LAGHI MONOMITTICI CALDI).-di tipo tropicale,caratterizzati da avere frequenti rimescolamenti legati a forti venti e piccole variazioni stagionali di temperature (LAGHI POLIMICTICI).



Oltre ai tipi di lago sopra illustrati, che si chiamano olomittici perché quando raggiungono l'isotermia circolano completamente, ci sono anche i laghi meromittici, nei quali l'acqua di fondo non si mescola mai con l'acqua degli strati superficiali. Questo succede in laghi ove, per accumulo di soluti, l'acqua di fondo acquista una densitàsuperiore a quella imputabile alla sua temperatura.

Va infine detto che la presenza di immissari favorisce l’arricchimento di ossigeno dell’ipolimnio nella fase di stratificazione estiva: le acque dei fiumi infatti, ricche di ossigeno e fredde, si muovono verso il fondo del lago, costituendo delle vere e proprie correnti legate alle differenze di densità.



Classificazione dei laghi in funzione del

numero di rimescolamenti anuui


IDRODINAMICA DEI LAGHIIDRODINAMICA DEI LAGHIIl moto dei laghi risulta avere caratteristiche prettamente tridimensionali; le correnti sono generate principalmente dall’azione del vento e dalle correnti di densità dovute agli effetti di stratificazione termica verticale; l’accelerazione di Coriolis assume importanza solo nel caso di laghi di elevate dimensioni superficiali.

PROCESSI DI MESCOLAMENTO INDOTTI DA SCAMBI TERMICI SUPERFICIALI(trattazione qualitativa)Per studiare i processi di trasporto e diffusione indotti da scambi termici nei laghi, si può far riferimento ad una semplificazione basata sul fatto che i moti sono estremamente lenti, ancorché turbolenti date le dimensioni spaziali in gioco, e caratterizzati dalla predominanza della componente di velocità verticale. In altre parole, si può supporre che gli scambi di quantità di moto e di energia nella direzione orizzontale siano trascurabili e utilizzare un tipo di approccio “globale”. In tale tipo di approccio il corpo idrico viene assimilato ad una o piùmasse aventi distribuzione uniforme di temperatura e densità. In particolare il caso di piùmasse si presta a rappresentare la stratificazione termica estiva, in cui il lago è diviso nella parte superiore (epilimnio) a temperatura alta e nella parte inferiore (ipolimnio) a temperatura più bassa. In questo caso è possibile studiare il moto che avviene nell’epilimnio per raffreddamento della superficie del lago e conseguente instabilità nella distribuzione di densità con componente verticale di velocità. Si ipotizza inoltre che variazioni delle grandezze fisiche occorrano uniformemente nelle masse in cui è diviso il corpo idrico.


IDRODINAMICA DEI LAGHIIDRODINAMICA DEI LAGHIEFFETTO DEL VENTONel seguito della trattazione si trascureranno gli effetti dovuti al mescolamento indotti da scambi termici superficiali, quindi si terrà esclusivamente conto dell’effetto dovuto al vento.L’effetto del vento consiste essenzialmente nell’azione forzante esercitata sulla superficie libera del lago e comporta un acquisto di energia cinetica da parte del lago stesso. Tale situazione è quella che si verifica in condizioni di isotermia del lago (per laghi dimittici: primavera e fine autunno).Nei moti generati solo per effetto del vento (o da venti forti (vmedia>10m/s) tali da permettere di trascurare il contributo dovuto a variazioni di densità) il moto verticale, di ordine di grandezza minore rispetto a quello orizzontale, è determinato comunque dai moti orizzontali.

Per la ricostruzione del campo fluidodinamico in un lago le equazioni impiegate sono quelle di Navier-Stokes.Però adottare l’approccio completamente tridimensionale (considerando tutto lo spessore del lago) risulta essere oneroso dal punto di vista computazionale. Quindi, in genere, si adotta un approccio detto Multi-strato, la cui assunzione principale consiste nel suddividere il lago in un certo numero di strati le cui grandezze di interesse sono considerate omogenee. In particolare, le grandezze, quali velocità e temperatura, vengono mediate sullo spessore dello strato.


IDRODINAMICA DEI LAGHIIDRODINAMICA DEI LAGHIPer la ricostruzione del campo fluidodinamico in un lago le equazioni

impiegate sono quelle di Navier-Stokes (già esaminate per l’atmosfera):

Equazione di conservazione della massa (equazione di continuitonservazione della massa (equazione di continuitàà):):

Equazione di conservazione della quantitconservazione della quantitàà di moto (di moto (NavierNavier--StokesStokes).).

:

( )xVzwu

yvu

xuu

zu

yu

xu

xp

zuw

yuv

xuu

tu rr

×Ω+∂

∂−

∂∂

−∂∂

−⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡∂∂

+∂∂

+∂∂

+∂∂

−=∂∂

+∂∂

+∂∂

+∂∂ 21 ''''''

2

2

2

2

2

2

νρ

( )yVzwv

yvv

xuv

zv

yv

xv

yp

zvw

yvv

xvu

tv rr

×Ω+∂∂

−∂∂

−∂∂

−⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡∂∂

+∂∂

+∂∂

+∂∂

−=∂∂

+∂∂

+∂∂

+∂∂ 21 ''''''

2

2

2

2

2

2

νρ

( ) gVzww

yvw

xuw

zw

yw

xw

zp

zww

ywv

xwu

tw

z −×Ω+∂

∂−

∂∂

−∂∂

−⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡∂∂

+∂∂

+∂∂

+∂∂

−=∂∂

+∂∂

+∂∂

+∂∂ rr

21 ''''''

2

2

2

2

2

2

νρ

0=∂∂

+∂∂

+∂∂

=⋅∇zw

yv

xuv

r

Acque superficiali INQUINAMENTO DEI LAGHIINQUINAMENTO DEI LAGHIIDRODINAMICA DEI LAGHIIDRODINAMICA DEI LAGHI

Sotto l’ipotesi di lago non profondo, o adottando l’approccio Multi strato, per cui ci si pone in condizioni di omogeneità, sono state sviluppate equazioni semplificate.

Introduciamo le seguenti ipotesi semplificatrici:

1) Si considera il lago con acque poco profonde, cioè si assume un valore per il rapporto D/L << 1 (D: massima profondità del lago; L: massima dimensione orizzontale)

2) w << u, v ⇒ w ≅ 0 (la velocità media lungo l’asse z è molto più piccola delle velocità lungo gli assi x e y ⇒ VALIDA PER MOTI GENERATI SOLO DA VENTI)

3) Si trascura il trasferimento della quantità di moto sull’orizzontale:

⇒ (le variazioni perpendicolari alla superficie sono superiori a quelle parallele alla stessa)

4) (condizioni di moto stazionario)

yxz ∂∂

∂∂

>>∂∂ , 00 ≅

∂∂

≅∂∂

yx,

0=∂∂

=∂∂

=∂∂

tw

tv

tu


IDRODINAMICA DEI LAGHIIDRODINAMICA DEI LAGHISemplificando, si ottiene (in analogia con atmosfera): e considerando il coefficiente di viscosità turbolenta Kz costante sulla verticale

Asse x)

Asse y)

Asse z)

Equazione di conservazionedella massa

Le equazioni riportate rappresentano un sistema chiuso che, in generale, per essere risolto necessita di condizioni iniziali e di condizioni al contorno. Nel caso specifico, essendosi posti in condizioni di moto stazionario non ha senso introdurre delle condizioni iniziali.

( )xz VzuK

zu

xp rr

×Ω+∂∂

+∂∂

+∂∂

−= 210 2

2

2

2

νρ

( )yz VzvK

zv

yp rr

×Ω+∂∂

+∂∂

+∂∂

−= 210 2

2

2

2

νρ

gzp ρ−=

∂∂

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂

+∂∂

−=∂∂

yv

xu

zw

L’equazione di conservazione della massa può essere usata per determinare la velocità w, note le velocità orizzontali, tramite integrazione rispetto alla z.Tale equazione sottolinea che nei moti generati solo da venti, il moto verticale, di ordine di grandezza minore rispetto a quello orizzontale, è determinato comunque dai moti orizzontali.


Principali tipologie di inquinamento:Principali tipologie di inquinamento:

I laghi sono principalmente soggetti a:

• INQUINAMENTO PRIMARIO dovuto al carico di sostanza organica. L’apporto di sostanza organica provoca, come anche nei fiumi, una DEOSSIGENAZIONE delle acque dovuta ad una maggiore richiesta di ossigeno da parte della comunità batterica deputata alla decomposizione. A lungo andare si ha unpeggioramento della qualità dell’acqua dovuto alla completa scomparsa di ossigeno disciolto, specie negli strati più profondi, con fenomeni di putrefazione e produzione di sostanze maleodoranti e tossiche.

• INQUINAMENTO SECONDARIO dovuto alle sostanze inorganiche ad effetto fertilizzante. L’azione fertilizzante di taluni composti dell’AZOTO e del FOSFORO, soprattutto nitrati e ortofosfati, provocano, prevalentemente nei mesi primaverili, una abnorme produzione di sostanza organica vivente sotto forma di BIOMASSA ALGALE. Le alghe al termine del loro ciclo vitale sedimentano nei fondali e vengono degradate in modo aerobico conconseguente consumo di ossigeno o in modo anaerobico con fenomeni di putrefazione e produzione di sostanze maleodoranti e tossiche.

L’insieme di fenomeni che favoriscono la produzione algale è detto:

EUTROFIZZAZIONE


EUTROFIZZAZIONEEUTROFIZZAZIONE

Manifestazione di inquinamento cronico dei bacini lacustri e di bacini idrici con debole ricambio (baie, lagune, …).

CAUSA: eccessivo apporto di sostanze nutritive; Carbonio, Azoto e Fosforo, questi ultimi due costituiscono i fattori limitanti perché il Carbonio è sempre presente in sovrabbondanza nelle acque naturali. In particolare il FOSFORO, in quanto esistono delle alghe in grado di fissare l’Azoto direttamente dall’atmosfera.

CLASSIFICAZIONE DEI LAGHIA seconda dell’arricchimento in nutrienti (e conseguente produttività algale), i laghi

sono così classificati:• Lago oligotrofico: bassi livelli di nutrienti, quindi di alghe;• Lago mesotrofico: presenza equilibrata di nutrienti;• Lago distrofico: ricco di un nutriente e povero di un altro;• Lago eutrofico: ricco di nutrienti e produttività algale.

Il fenomeno dell’eutrofizzazione è anche un indice dell’età di un lago. Un lago giovane è generalmente oligotrofico.


EUTROFIZZAZIONEEUTROFIZZAZIONE

Un’indicazione iniziale del livello di trofia di un lago può essere ottenuta utilizzando il disco di Secchi. Il disco di Secchi è uno strumento di misura, costituito da un disco di circa 40 cm di diametro suddiviso in spicchi di colore alternato chiaro-scuro. Il disco viene immesso in acqua e si misura la profondità alla quale risulta ancora possibile distinguere gli spicchi ed il colore.La tabella successiva fornisce un'indicazione di come può essere relazionata la profondità di visibilità del disco di Secchi con il livello di trofia del corpo d'acqua.


EUTROFIZZAZIONEEUTROFIZZAZIONELe improvvise e temporanee esplosioni di densità algale vengono chiamate “FIORITURE”.Nei laghi dimittici (caratteristici delle zone a clima temperato), si ha una notevole fioritura nel periodo primaverile e un’altra, in genere ridotta, nel periodo autunnale.INVERNO: Condizioni di bassa temperatura, poca luce e stratificazione termica, quindi i nutrienti si accumulano senza essere utilizzati;PRIMAVERA: Condizioni favorevoli di temperatura e luce, inoltre l’assenza di stratificazione termica permette la circolazione delle sostanze nutritive, presenti sul fondo del lago, che vengono messe in circolo determinando, la quindi la biomassa algale cresce molto rapidamente. ESTATE: la fioritura cessa perché non si ha più disponibilità di nutrienti a causa della stratificazione estiva del lago (i nutrienti si accumulanonell’ipolimnio).AUTUNNO: Il rafferddamentodelle acque superficialiprovoca omotermia che consente il rimescolamentodelle acque e riporta in superficie i nutrienti.


EUTROFIZZAZIONE: EUTROFIZZAZIONE: BILANCIO DEI CARICHI DI FOSFORO

CARICHI LOCALIZZATISi tratta dei carichi associati alle acque reflue:Liquami domesticiIl P tot è costituito da fosforo organico (P-organico), ortofosfati (PO43-) e polifosfati (PxOx). Prima dei provvedimenti legislativi del ’92, che hanno limitato la presenza di P nei detersivi ad un max dell’1%, il carico di P nei liquami grezzi era di ca. 1.28 kg/ab·anno, oggi questo valore si aggira intorno a 0.657 kg/ab·anno.Liquami zootecniciLa stima del carico di fosforo associato alle diverse tipologie di allevamenti è la seguente: • equini 11.8 [kg P/capo · anno]; • bovini 9.1 [kg P/capo · anno]; • suini 5.6 [kg P/capo · anno]; • ovini/caprini 1.5 [kg P/capo · anno]; • polli0.06 [kg P/capo ·anno]. Il carico effettivamente destinato al corpo idrico dipende dalla quantità di deiezioni riutilizzata in agricoltura e dall’efficienza del sistema di depurazione.Liquami industrialiL’apporto di P da parte delle industrie è limitato, salvo particolari scarichi (industrie agro –alimentari, distillerie, …) per cui la concentrazione è simile a quella dei reflui domestici.



CARICHI DIFFUSICarichi determinati da fonti diffuse come piogge e terreni:

1.Pioggia: contribuisce col dilavamento del pulviscolo atmosferico sia naturale sia di origine industriale;

2.Residui organici naturali: vegetali in decadimento e deiezioni della fauna selvatica, hanno un modesto contributo;

3.Drenaggio di suolo non coltivato: il P (P-organico e apatite) viene ceduto in minima parte dal terreno a causa del dilavamento meteorico (ca. 0.1 kg/ha·anno);

4.Drenaggio di suolo coltivato: la quantità di P rilasciato dai terreni coltivati può raggiungere 0.4 kg/ha·anno;

5.Drenaggio di aree urbanizzate: il P presente sul suolo urbano deriva da residui organici animali e vegetali e/o da alcuni additivi presenti nelle benzine (solo in USA). Il carico stimato è pari a ~1÷2 kg P/ha·anno.


STECHIOMETRIA DELLSTECHIOMETRIA DELL’’EUTROFIZZAZIONEEUTROFIZZAZIONE

La fotosintesi clorofilliana richiede un apporto stechiometrico di:C : N : P = 106 : 16 : 1

C + N + P + luce solare + CxHyOzNvPw + O2

+ oligoelementi + H2O

La degradazione aerobica della biomassa algale avviene nell’ipolimnio e comporta consumo di ossigeno (reazione di respirazione inversa a quella di fotosintesi). L’ossigeno viene prodotto nell’epilimnio per fotosintesi, ma nei periodi estivi e invernali non può essere trasferito nell’ipolimnio a causa della stratificazione termica.

FOTOSINTESI

DEGRADAZIONE(Biomassa algale)


EUTROFIZZAZIONE: EUTROFIZZAZIONE: BILANCIO DEI CARICHI DI FOSFOROCome gia detto, i nutrienti fondamentali per il processo dell'eutrofizzazione sono principalmente fosforo e azoto, ma il fattore limitante è generalmente costituito dal primo in quanto esistono alghe in grado di fissare l’azoto direttamente dall'atmosfera. Inoltre l’azoto è generalmente proveniente da fonti che possono essere considerate diffuse (utilizzo in agricoltura, etc.) e quindi di difficile controllo. Al contrario gli apporti di fosforo sono principalmente provenienti da fonti puntiformi e quindi facilmente intercettabili.Il fosforo è presente nei laghi in forma disciolta e in forma particolata. Solo la componente disciolta costituisce una fonte di nutrimento per il fitoplancton. La forma particolata che consiste di fosforo assorbito sulle particelle solide, di fosfati minerali, di detriti o di fosforo contenuto nelle cellule della sostanza organica è accumulato nei sedimenti e rientra nella colonna d'acqua come fosforo disciolto.Il fenomeno dell'eutrofizzazione è quindi relazionato a:• campi idrodinamici;• distribuzione della temperatura sulla verticale, che determina i fenomeni di stratificazione e “turn-over”;• distribuzione verticale di fosforo e fitoplancton;• rilascio di fosforo dai sedimenti del fondo e quindi ruolo dei sedimenti come riserva di fosforo.In particolare questa fonte è stata a lungo trascurata mentre recenti studi hanno riscontratoche in alcuni bacini può arrivare ad essere della stessa entità del contributo proveniente dagli scarichi di tipo civile.


EUTROFIZZAZIONE: EUTROFIZZAZIONE: BILANCIO DEI CARICHI DI FOSFOROQuindi nello studio del processo di eutrofizzazione è necessario tener conto di una serie di relazioni tra diversi componenti. Nel seguito si riportano, in forma semplificata, le equazioni utili per una completa, quanto più possibile, analisi del processo di eutrofizzazione.

EQUAZIONE DI BILANCIO DELLA BIOMASSA ALGALE (C ):

Dove:C: concentrazione di biomassa algaleR: tasso di scomparsa della biomassa algaleµ: velocità di crescita della biomassa algale (definita da specifica equazione)K: coefficiente di diffusività turbolenta


TURBOLENZA

SCOMPARSA di biomassa

algale

CRESCITA di biomassa

algalezCw

yCv

xCu

tC

DtDC

∂∂

+∂∂

+∂∂

+∂∂

=

CONVEZIONE dovuta al

MOTO MEDIO



EQUAZIONE DI BILANCIO DEI SEDIMENTI (S) AL FONDO:

Dove:S: concentrazione dei sedimenti al fondoVs: velocità di sedimentazioneH: profondità mediaC: concentrazione di biomassa algaleKu: coefficiente di decadimento

della materia organica

EQUAZIONE DI BILANCIO DEL FOSFORO DISCIOLTO AL FONDO (Pf):

Dove:Pf: concentrazione di fosforo al fondoαsp: frazione di fosforo presente nei

sedimenti al fondoγs: quantitativo di fosforo che rientra

nella colonna di acqua

Derivata sostanziale ≅Derivata locale

ACCUMULO dei sedimenti sul fondo per sedimentazione

della biomassa algale

SCOMPARSA dei sedimenti sul

fondo per degradazione

Derivata sostanziale ≅Derivata locale

COMPARSA di fosforo disciolto sul fondo per

degradazione dei sedimenti

SCOMPARSA di fosforo sul fondo e ritorno in

superficie per rimescolamento acque



EQUAZIONE DI BILANCIO DEL FOSFORO DISCIOLTO (P) (non al fondo):

Dove:γsed ≡ γs: quantitativo di fosforo disciolto al fondo che rientra nella colonna di acquaPf : concentrazione di fosforo disciolto al fondoγsed Pf: flusso di fosforo disciolto dai sedimenti del fondoαap: frazione di fosforo presente nella biomassa algaleC: concentrazione di biomassa algaleR: tasso di scomparsa della biomassa algale

µ: velocità di crescita della biomassa algale (definita da specifica equazione)

Derivata sostanziale = Derivata locale +

CONVEZIONE dovuta al MOTO MEDIO


TURBOLENZA

COMPARSA di fosforo per

degradazione di biomassa algale

RIMOZIONE di fosforo per crescita di biomassa

algale

COMPARSA di fosforo disciolto

al fondo per rimescolamento


EUTROFIZZAZIONE: EUTROFIZZAZIONE: MECCANISMI DI CONTROLLOLa crescita della biomassa algale è dovuta principalmente all’apporto di sostanze organiche quali:-AZOTO - FOSFORO - ANIDRIDE CARBONICA

Definizione di “Elemento limitante” (Legge di LIEBIG):“La mancanza assoluta o la carenza di un solo elemento è sufficiente a limitare al piena utilizzazione di tutti gli altri. Ossia, la crescita cellulare è condizionata dall’elemento che èpresente in quantità minima, indipendentemente dagli altri.”La ricerca del fattore limitante consiste nell’individuare quello più facilmente controllabile.Nel caso dell’eutrofizzazione si ha che:CARBONIO:-Elevata disponibilità atmosferica (CO2)-Produzione da degradazioni biologiche -Presenza in fase liquida da alcalinità (dissoluzione di CaCO3 nei bacini calcarei) AZOTO:-Presenza in acque naturali e fonti diffuse (difficoltà controllo apporti)-Disponibilità atmosferica (fissazione N2 da parte di alcune alghe)FOSFORO:-Prevalentemente di origine antropica (civile, industriale, zootecnica)-Economia e relativa semplicità delle tecnologie di depurazione.


EUTROFIZZAZIONE: EUTROFIZZAZIONE: STRATEGIE DI RISANAMENTO

Una volta definita la quantità di carico di fosforo “obiettivo”, occorre valutare e scegliere tra le diverse soluzioni possibili per la riduzione di tale carico, obbedendo al seguente ordine di priorità:

- CARICHI LOCALIZZATI

- CARICHI DIFFUSI

- CARICHI INTERNI (non vengono trattati nel dettaglio)

- AERAZIONE IPOLIMNICA

- DRAGAGGIO DEI SEDIMENTI

- SCARICO ACQUE IPOLIMNICHE NELL’EMISSARIO

- PRECIPOTAZIONE CHIMICA DEL FOSFORO

- BIOMANIPOLAZIONE

- OSSIDAZIONE DEI SEDIMENTI



CARICHI LOCALIZZATI

Gli interventi possono interessare il singolo scarico e/o tutti gli scarichi.

Operando sui singoli scarichi è possibile affrontare piùrapidamente il problema attraverso la graduale realizzazione degli impianti.



CARICHI LOCALIZZATI


EUTROFIZZAZIONE: EUTROFIZZAZIONE: INTERVENTI PER LA LIMITAZIONE DEI CARICHI DIFFUSI

Riguardano in generale sia interventi tecnici che urbanistici e legislativi

Limitazione nei detersivi: il limite di concentrazione di P nei detersivi è stato fissato per legge all’1%.

Razionalizzazione delle risorse agricole: Riduzione del suolo coltivato , cambio tipologia di coltivazioni.

Intercettazione e trattamento delle prime acque di pioggia o degli affluenti piùinquinati.

Limitazione delle concimazioni si cerca di limitare l’uso dei fertilizzanti chimici sostituendoli con le deiezioni animali, programmando una corretta concimazione dei terreni e utilizzando concimi a lento rilascio;

Pratiche alternative in zootecnia: attraverso un’attenta gestione della risorsa acqua si riesce a ridurne il consumo e di conseguenza la quantità delle acque di rifiuto.


EUTROFIZZAZIONE: EUTROFIZZAZIONE: GRAFICO DI VOLLENWEIDER

Attraverso la curva di Wollenweider si riesce a stimare il CARICO TROFICO FINALE (obiettivo di risanamento del lago) una volta che siano noti:- Il CARICO AREALE INIZIALE di Fosforo (Lc), sulla base dei carichi alimentati;- Il CARICO IDRAULICO del lago (qs), dove:

Z : Profondità media del lago (m):TR : Tempo di ricambio teorico del lago (1/anno);V : Volume del lago (m3);Q : Portata dell’effluente (m3/anno).In genere il tempo reale di ricambio del lago ènotevolmente inferiore a quello teorico. Possibili cause sono i fenomeni di stratificazione termica e di cortocircuito comportano il ricambio soprattutto

Rs T

Zq =QVTR =

negli strati superficiali, quelli profondi permangono molto più a lungo.Fenomeni di cortocircuito, anche superficiale, si possono verificare a causa di morfologie irregolari.


EUTROFIZZAZIONE: EUTROFIZZAZIONE: GRAFICO DI VOLLENWEIDER

A parità di CARICO AREALE DI FOSFORO, il lago possiede minore tendenza all’eutrofia :-Tanto minore è la superficie S o tanto maggiore è la profondità Z (strato illuminato èuna piccola frazione del bacino, quindi poca fotosintesi);-Tanto maggiore è la portata dell’emissario Q (tempi di ricambio minori).

Noto il CARICO AREALE INIZIALE e il CARICO IDRAULICO del lago è possibile individuare lo STATO TROFICO INIZIALE, e conseguentemente lo STATO TROFICO FINALE da raggiungere e quindi il CARICO DA RIMUOVERE.

corso di: dinamica degli inquinanti - uniroma2.it · • salinita’ (intermedia tra acque dolci e...

Documents