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
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