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pag. 1S. Marsili-Libelli: Modelli di qualità fluviale


Ciclo dell’Ossigeno in un sistema acquatico

Radiazione solare

Fotosintesi

Diffusione dall’atmosfera

Consumo nelsedimento

Consumo nellacatena alimentare

CO2 dallacatena alimentare

CO2 dalsedimento


Aspetti del ciclo dell’ossigenoFotosintesi

Produzione di ossigeno da parte degli organismi dotati di clorofilla con consumo di CO2Proporzionalità Ossigeno/Carbonio nei produttori primariRateo istantaneo fotosinteticoProduzione fotosintetica media

Disponibilità dell’Ossigeno nell’acquaSolubilità dell’ossigeno Quali sono le fonti di rifornimento e quanto ne è disponibile?

Produzione di ossigeno per fotosintesiRifornimento di ossigeno per diffusione atmosferica

Consumo di OssigenoConsumo per ossidazione di materiale biodegradabileConsumo dal sedimento


Fotosintesi e RespirazioneIl ciclo dell’Ossigeno è strettamente legato a quello del CarbonioL’Ossigeno è fondamentale per il passaggio del Carbonio da forma inorganica a organica e viceversa

Fotosintesi: Produzione di Ossigeno e Carbonio organico da parte di alghe e piante verdi a spese dell’Energia SolareRespirazione: Estrazione di energia da molecole di Carbonio organico mediante consumo di Ossigeno e produzione di CO2

OH6CO6Produttori

22 + 26126 O6OHCiConsumator

+

Fotosintesi

Respirazione

EnergiaSolare

Carbonio inorganico Carbonio organico


Fotosintesi e produzione primariaLa produzione di ossigeno è solo un aspetto della fotosintesi, che rappresenta la dinamica di crescita dei produttori primariLa dinamica dei produttori primari deve anche tener conto della produzione di biomassa e dell’assorbimento dei nutrienti

CO2 NutrientiN, P,..

Temperatura

Ossigeno

Biomassa(Carbonio organico)


Relazione Carbonio/Ossigeno nella fotosintesiNella reazione fotosintetica

Il rapporto stechiometrico C/O è dato da

Esso permette di determinare quanto ossigeno viene prodotto per via fotosintetica per ogni unità di carbonio prodottaFotosintesi e rateo di respirazione possono venir espressi nellemedesime unità, sia Ossigeno che CarbonioEspressione del rateo

Piante o macroalghe radicate →crescita per unità di superficiePiante o alghe flottanti →crescita per unità di volume

26126Clorofilla

22 O6OHCOH6CO6 +⎯⎯⎯ →⎯+

1oc gCgO67.2

126326r −=

××

=

( )13TML −−( )12TML −−


Unità di misura della fotosintesiLa radiazione solare si misura in energia per unità di superficie e di tempo (E.L-2.T-1). Ad esempio

W.m-2

Kcal.m-2.h-1 = 1.16 W.m-2

cal.m-2.s-1 = 4.18 W.m-2

Langley.d-1 = 0.483 W.m-2

La produzione di ossigeno si misura in (mgO2.L-2.T-1)se si considera la biomassa primaria distribuita sul fondo. Ad esempio

mgO2.m-2.h-1

mgO2.m-2.d-1

Se al contrario si considera la biomassa dispersa su tutta la colona d’acqua, si considera l’intero volumedella massa d’acqua. Allora le dimensioni diventano (mgO2.L-3.T-1). Ad esempio

mgO2.m-3.h-1

mgO2.m -3.d-1

mgO2.l-1.h-1

mgO2.m -3.d-1

I (w/m2)

P (mgO2/m3.h)

I (w/m2)

P (mgO2/m2.h)


Solubilità di un gas in un liquidoLa solubilità di un gas in un liquido è proporzionale alla sua pressione parziale (Legge di Henry)

Solubilità dei principali gas @ 20 °C

Se ad es. si vuole calcolare la solubilità in acqua dell'ossigeno dell'aria si deve tener conto che la sua pressione parziale è Pgas = 0.209 atm, perciò

Per l’Anidride Carbonica

Csat = Kh ⋅ Pgas

atmosfera in ppm 300P2CO ≅

( )11h atm.L.mmolK −− ( )11

h atm.L.mgK −−

1667.637.9Carbonica Anidride42.881.340Ossigeno19.0120.679Azoto

mg/L962.8209.088.42C 2Osat =×=

mg/L5.01036.1667C 4-COsat

2 =⋅×=


Solubilità di Ossigeno in acquaLa concentrazione di saturazione è proporzionale alla pressione parziale (Legge di Henry)

Csat = K h ⋅ Pgas

Costante di Henry

Concentrazione di saturazione

Pressione parzialedel gas

Csat

PgasPO2

= 0.209 atm

Csat = 42.88 mg/L

PO2= 1 atm O2

Csat = 8.962 mg/L

Ossigeno puro

Aria

La solubilitàdell’Ossigeno usando O2 puro è circa 5 volte superiore a quella ottenibile usando aria

@ 20 °C


Concentrazione di saturazione dell’O2

La solubilità è influenzata dalla temperatura e dalla salinità

2

2sat

S0002739.0ST00005.0S0966.0

T0044972.0T367134.06244.14)T(C

⋅+⋅⋅+⋅−

⋅+⋅−=

510

1520

25 2025

3035

4045

50

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Temperatura (°C) Salinità (‰)

Csa

t(m

g/L)


Rifornimento di ossigenoProduzione fotosintetica

Le alghe producono ossigeno puro (pressione parziale = 1 atm) che viene direttamente immesso nella colonna d’acquaSi possono avere concentrazioni in eccesso alla saturazione, che è riferita all’aria

Riossigenazione naturaleL’ossigeno contenuto nell’aria (pressione parziale = 0.209 atm) viene trasferito nell’acqua per diffusioneattraverso la superficieCi si affida al moto turbolento (raschi, cascate, traverse, etc.)

O2

atm1P2O =

atm209.0P2O =

Aria


Andamento circadiano del DO nel fiume ArnoLe fluttuazioni di DO hanno un ritmo circadiano molto marcato nel periodo estivoNelle ore di maggiore insolazione si può facilmente superare il livello di saturazioneIl diverso valore di DO dipende dalla quantità di alghe e dal carico inquinante (richiesta di ossigeno): a valle di Firenze il carico è maggiore e la densità algale minore, perciò la sovrasaturazione è meno marcata

Camaioni, a valle dellaconfluenza fra Arno e Bisenzio

Ponte da Verrazzano,a monte di Firenze Livello di saturazione Csat


Rifornimento di OssigenoScambi gassosi per diffusione

Interfaccia gas - liquido(moto turbolento superficiale)

Superficie delle bolle di gas in acqua

Diffusione determinata dal gradiente di concentrazione (Legge di Fick) BOLLA

DIGAS

Fase gassosa

Fase liquida

satliq PP <

satgas PP =

satgas PP =

aKL

rearK

( )

)(43421

ossigenodideficit

liqsatrear

liqsatliq

CCK

PPdt

dC

−=

−=α

Valori tipici di D.O.fiume pulito 12 - 8 mg/Lfiume inquinato 8 - 4 mg/Ldepuratore 1 - 2 mg/L in ossidazione


Coefficiente di riossigenazione naturaleIl coefficiente Krear è funzione:

della velocità della corrente (u)dello stato di agitazione superficiale dell’acqua (α)della profondità del fiume (h)

Esistono solamente formule empiriche

Inoltre Krear dipende dalla temperatura secondo la legge di Arrhenius

γβα −⋅⋅= huKrear

Autore α β γStreeter & Phelps 1.0 0.57 - 5.40 2.0O’Connor & Dobbins 3.0 – 4.0 0.5 1.5Isaacs & Gaudy 1.35 - 2.22 1.0 1.5Negulescu & Rojanski 4.74 0.85 0.85Bennet & Rathburn 2.33 0.674 1.865Owens 3.0 – 6.0 0.67 - 0.73 1.75 - 1.85

( ) ( )20Trear

20Trearrear )20(Ke)20(K)T(K −− ⋅=⋅= θϑ

⎩⎨⎧

==

0243.1024.0

θϑ

hhu

α


Formule empiriche per la riossigenazione

O’Connor - Dobbins

h ~ 0.3 – 9 (m)u ~ 0.15 – 0.5 (m/s)

Churchill

h ~ 0.6 – 3.3 (m)u ~ 0.5 – 1.5 (m/s)

Owens – Gibbs

h ~ 0.12 – 0.7 (m)u ~ 0.03 – 0.5 (m/s)

5.1

5.0

rear hu93.3K =

67.1rear hu026.5K =

85.1

67.0

rear hu32.5K =


Rateo di riossigenazione

La figura mostra la combinazione delle varie formule disponibili per calcolare il rateo di riossigenazione, in funzione della velocità della corrente. Ciascuna di esse ha un campo di applicazione privilegiato


Consumo di ossigenoOssidazione di materiale a base di carbonio nella colonna d’acquaOssidazione dei composti ammoniacali nella colonna d’acqua e nelel zone riparieOssidazione di materiale sedimentatoFabbisogno della catena alimentare (si trascura nei modelli di qualità standard)

Richiestadi ossigeno

dal sedimento

Consumo nellacatena alimentare Consumo

di ossigeno

Ossidazionecarbonio

Ossidazioneammonio

2org COC → −+ → 34 NONH


Degradazione di carbonio organicoIl Carbonio organico, espresso come BOD o più in generale come COD biodegradabile, può essere

particolato (Bpart)

disciolto (B)

Il rateo di consumo di ossigeno collegato alla degradazione del BOD disciolto si assume del primo ordine

Rateo di degradazione del BOD = rateo di consumo di ossigeno

Nota: il consumo di ossigeno ha le stesse dimensioni del BOD (mg O2/l.h), dato che questo è espresso proprio come ossigeno equivalenteLa costante cinetica dipende dalla temperatura secondo la legge di Arrhenius

Idrolisi parthydr BkdtdB

=

BkdtdB

1−= BkdtdC

1−=Consumo di ossigeno

=Consumo di BOD

( ) Arrhenius di .tcos047.1)T(k)T(k oTTo11 == − ϑϑ


Richiesta di ossigeno dal sedimentoDegradazione di sostanza organica depositata sul fondo, proveniente da

Sorgenti esterne come scarichi e fognatureSorgenti interne al sistema, come scarti, escrementi o parti morte del fitoplankton o dello zooplankton

Respirazione del bioma bentico (comunità dei decompositori del fondo)

Processi importantiper la riossigenazione del sedimentoLa diffusione di ossigeno dalla colonna d’acqua alla parte porosa del sedimentoLa diffusione di forme ridotte mineralizzate di sostanda organicaLa lavorazione del fondo da parte degli organismi benticiL’ossigenazione lungo l’apparato radicale a sviluppo orizzontale della vegetazione sommersa.


Dinamica del sedimento

SEDIMENTO PROFONDOambiente ridotto

SEDIMENTOSUPERFICIALE

ambiente ossidato

Radici di piante emersefavoriscono l’ossidazionedello strato superficiale

Pesci pasturatorilavorano il fondo

favorendone l’ossigenazione

Organismi decompositoritriturano e riprocessano

il materiale organico

Molluschi filtratori(Anodonta sp.) filtrano l’acqua

rimuovendo il materialeorganico sospesoe scavano il fondo

favorendone l’ossigenazione

L’ossigeno atmosfericopenetra nel sedimento

attraverso le radicidelle piante emerse

O2

Nel sedimento superficialeavvengono i processidi decomposizione ed

ossidazione degli inquinanti


Sedimento ossidato e ridotto

Il sedimento in superficie è ossidatoe si presenta di colore chiaro

Il percorso di pasturazione del limicolo mette in evidenza il sedimento sottostante ridotto, di colore scuro


Dinamica del SODIl rateo di consumo dal fondo (SOD) è spesso espresso come rateo globale, non modellato

Il SOD è espresso come costante globale ks

E’ inversamente proporzionale alla profondità hAltre forme tengono esplicitamente conto del’influenza dell’ossigeno disciolto

skh1

dtdC

−=

CKCk

h1

dtdCCk

h1

dtdC

os

bs +

−=−=

Tipo di fondo Range ks media

Batteri filamentosi (10 g/m2) 5 - 10 7Vicinanze di scarico civile 2 - 10 4Valle di uno scarico civile 1 - 2 1.5Fondo sabbioso 0.2 - 1 0.5Suoli minerali 0.05 - 0.1 0.07


atmosfera

Andamento del DO con la profondità

Pro

fond

itàh

Superficieh = 0

Profondità otticah = zmax

Csat

Sovrasaturazione dovuta alla fotosintesi

Mancanza di ossigeno per il consumo dal

sedimento

0

acqua

Decadimento esponenziale di

ossigeno nel sedimento


Dinamica dell’Ossigeno Disciolto (DO)Il bilancio di ossigeno disciolto in fase liquida dipende da duefattori:

Rifornimento di Ossigeno per diffusione dalla fase gassosa(legge di Fick)Consumo per i processi (catabolici) di degradazione di inquinanti a base carboniosa ed ossidazione dell’ammonio

C = Concentrazione in fase liquida del gas discioltoKrear = Coeff. di riossigenazione (h-1)Csat = Concentrazione di saturazione del gas nel liquido (mg. L -1)f(C) = Rateo di Consumo di Ossigeno (mg.L -1.h-1) dato dalle reazioni di biodegradazione

( )

entodimsedal

ossigenodi

consumo

azotatied carboniosi

materialieossidazion per

consumo

ifotosintesper

produzione

ereareazionper

torifornimensatrear SODf(C)P(t)CCK

dtdC

−−+−=


Ciclo giornaliero dell'Ossigeno Disciolto% Oss.Disciolto alla stazione di Rosano

Data: 04/09/2004 Temperatura massima aria: 32,43°C Ore:16Temperatura massima acqua: 27°C Ore: 16

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

7.00

8.00

9.00

10.00

11.00

12.00

13.00

14.00

15.00

16.00

17.00

18.00

19.00

20.00

21.00

22.00

23.00

P > R

P < R

sovrasaturazione

% S

atur

azio

ne

Ora del giorno


Ciclo giornaliero dell'Ossigeno Disciolto

5.5

6.5

7.5

8.5

9.5

10.5

11.5

0 24 48 72 96 120 144

DO

(mg

O2/L

)

P > R

P < R

168Ore

Centralina ARPAT alla Nave di Rovezzano


Dinamica dell'Ossigeno Disciolto

P = Produzione fotosintetica di ossigeno (mg O2 L-1 h-1)

R = Somma dei consumi di ossigeno, indicata genericamente come "respirazione" (mg O2 L-1 h-1). Include:

Ossidazione (batterica) di carboni organico nella colonna d'acquaRespirazione di organismi acquatici (alghe, macrofite, batteri, etc.)Richiesta di ossigeno dal sedimento (SOD)

( ) ( )RPCCKdtdC

satr −+−=

sI)t(I1

s

eI

)t(IaP−

=


Modello di bilancio di DO

( ) ReI

)t(IaCCKdtdC

sI)t(I1

ssatr −+−=

−

C

To Workspace

Sol Rad R

Respiration rate

Kr

Reaeration

Product

(u[1]/Is)*exp(1-u[1]/Is)

Phytoplkt response

a

Photosynt_coeff

1s

IntegratorDO_sat

Clock


Calibrazione su dati circadiani

18 Luglio

P= [0.17797 0.38641 0.94743 1198.1]

0 5 10 15 20 256

6.5

7

7.5

8

8.5

9

9.5

10

DO

(mg/

L)

ora del giorno

26 Agosto

P=[0.3525 0.97379 1.6141 1588.7]

0 5 10 15 20 255.5

6

6.5

7

7.5

8

8.5

9

9.5

DO

(mg/

L)

ora del giorno

[ ]sr IaRK[ ]sr IaRK


Misura dell'Ossigeno DiscioltoLa misura va fatta in situ (sul posto)

Non è possibile differire la misura prendendo un campione ed effettuando poi la misura in laboratorio

Le reazioni biochimiche responsabili del consumo di ossigeno nonpossono essere fermate

Due modi di esprimere la misuraIn valore assoluto (mg O2/L)In percentuale del valore di saturazione

La prima dà il contenuto reale di ossigeno disciolto

La seconda esprime l'eventuale sovra-saturazione dovuta ai processi di produzione fotosintetica di ossigeno

Per ricavare la concentrazione assoluta è necessario conoscere la temperatura dell'acqua


Ossimetro

Si compone di:una sonda, da immergere nell’acquauno strumento che elabora il segnale della sonda effettua le dovute correzioni e produce la letturaun barometro per la compensazione con la pressione atmosferica

Sonda

Sensore di temperatura

Barometro

Strumento

Regolazionepressione

atmosfericaRegolazionesaturazione

Effettua la misura dell’Ossigeno Disciolto. Si impiega sia nei corsi d’acqua superficiali che nei depuratori biologici.


Principio di misura di un ossimetroQuando si applica un potenziale elettrico a degli elettrodi di metallo nobile, l’ossigeno disciolto viene ridotto alla superficie del catodoLa corrente fra gli elettrodi, funzione del potenziale applicato, dipende da due processi:

Il rateo di trasporto dell’ossigeno disciolto dal liquido alla superficie del catodoIl rateo di riduzione dell’ossigeno al catodo

LIQUIDO

FILM LIQUIDO

MEMBRANA

ELETTROLITA K(OH)2

CATODO

Diffusione molecolare

Uscita di H2O2 e OH-

per diffusione22OH

-OH

-e

Flusso di ossigeno dal liquido

Prodotti direazione

Diffusione molecolare

Reazione di riduzione


Sonda per la misura dell’Ossigeno Disciolto

Anodo in Argento

Catodo in Oro

Membrana in Teflon spess. 50 μm

(permeabile agli atomi di ossigeno)

Sensore di temperatura

Involucro della sonda(contenente soluzione elettrolitica)

La corrente dovuta alla reazione di riduzione al catodo viene amplificata e misurata da un apposito circuito elettronico, che provvede anche alla compensazione con la temperatura ed all’uscita(visiva su display, analogica, digitale in formato seriale RS - 232)


Dettagli dello strumento

Vista della sonda con la membrana montata: sono visibili gli elettrodi attraverso la membrana di teflon (trasparente) che contiene l’elettrolita K(OH)2

Il liquido a contatto con la membrana deve essere sempre rinnovato per evitare saturazioni

elettrolita

anodo catodo

Regolazionepressione

atmosfericaRegolazionesaturazione

Percentuale disaturazione

Ossigeno disciolto (mg/l)

Tem

pera

tura

(°C

)

s. marsili-libelli: modelli di qualità fluviale pag. 1 fileciclo dell’ossigeno in un sistema...

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