Criteri di ricerca bibliografica e screening qualitativi

Le sostanze classificabili come microinquinanti emergenti attualmente oggetto di indagine all’interno del progetto PerFORM WATER 2030 sono state determinate attraverso un procedimento in due fasi propedeutiche alle sperimentazioni. Ad una prima fase di ricerca bibliografica è seguita una seconda fase di screening qualitativo delle acque reflue degli impianti di depurazione che ha permesso di generare una lista di sostanze da studiare, effettivamente rintracciabili nei reflui e rappresentative per classi di sostanze simili. Oltre ai microinquinanti emergenti, una parte del progetto è dedicata allo studio degli elementi in traccia, che possono sfuggire ai trattamenti convenzionali, specificatamente progettati per la rimozione della sostanza organica.

Criterio base della ricerca: focus sui composti che possono sfuggire ai trattamenti convenzionali

Categorie di possibili composti da indagare nelle acque reflue e selezione finale dei composti da indagare

Analisi di elementi in traccia in acque reflue e fanghi di depurazione


Criterio base della ricerca: focus sui composti che possono sfuggire ai trattamenti convenzionali

I microinquinanti emergenti, oggetto di studio all’interno del progetto PerFORM WATER 2030, sono stati selezionati sulla base di una preliminare ricerca bibliografica che ha permesso di individuare le principali sostanze che negli ultimi anni sono state oggetto di attenzione da parte della comunità scientifica e degli enti regolatori (fra cui l’Unione Europea).

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La scelta è ricaduta su quei composti la cui diffusione in ambiente avviene principalmente attraverso gli impianti di depurazione. Questi ultimi infatti, non sono progettati per rimuovere molecole complesse come farmaci o fragranze, ma la loro funzione principale è quella di abbattere il carico organico dei reflui. Senza un trattamento avanzato, in aggiunta al più comune processo di depurazione convenzionale, la diffusione di questi inquinanti nei corpi idrici recettori avviene senza ostacoli. Nel caso di molecole meno solubili in acqua, queste possono andare ad accumularsi nei fanghi di depurazione, generando un ulteriore problema di gestione, quale ad esempio, un ostacolo al riutilizzo in campo agricolo di questa matrice.

Da qui deriva una delle "mission" del progetto PerFORM WATER 2030, che consiste nell’implementazione delle attuali tecnologie di depurazione delle acque al fine di riuscire a rimuovere anche quelle categorie di inquinanti definiti come "emergenti", presenti a basse concentrazioni ma che provocano effetti dannosi sull’ambiente.

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Oltre agli emergenti, una parte del progetto è dedicata allo studio degli elementi in traccia, alla capacità di abbattimento in impianti di depurazione convenzionali e a seguito di trattamenti avanzati. I sistemi di trattamento convenzionali, infatti, sono specificatamente progettati per la rimozione della sostanza organica, mentre la rimozione dei metalli può essere ottenuta solo come beneficio collaterale al processo. Come risultato, gli effluenti dei depuratori municipali possono contenere concentrazioni superiori ai valori di fondo, mentre i fanghi possono accumulare elementi in traccia, limitando la possibilità di riuso, ad esempio, in agricoltura. In questo contesto è interessante studiare la ripartizione di questi contaminanti tra fase solida e liquida durante i vari processi depurativi, nonché l’effetto di trattamenti aggiuntivi introdotti non specificatamente per la rimozione dei metalli.


Categorie di possibili composti da indagare nelle acque reflue e selezione finale dei composti da indagare

Per quanto riguarda i composti polari e quindi solubili in acqua, i criteri fondamentali per generare l’iniziale lista di sostanze da indagare nelle acque reflue dei depuratori sono stati molteplici: 1) sono stati scelti composti ambientalmente rilevanti rilevanti e in grado di causare effetti nocivi sull’ecosistema aquatico; 2) sono state incluse sostanze non regolate dalle attuali normative; 3) è stato dato particolare rilievo ad alcune classi di sostanze fra cui i farmaci, che sono molecole biologicamente attive e spesso ad elevata tossicità, i pesticidi e i composti industriali.

Fra le migliaia di possibili sostanze, sono state individuate circa 150 sostanze da valutare all'interno di una apposita campagna definita di "Suspect Screening" organizzata in modo da ricercare nei campioni di ingresso e di uscita dei depuratori San Giuliano Milanese Est ed Ovest, gestiti da Gruppo CAP. La campagna di "Suspect Screening" ha permesso di valutare la presenza di tali sostanze nei campioni analizzati e di selezionare quelle che risultavano presenti all’uscita di entrambi i depuratori, ovvero che non venissero già rimosse dai trattamenti convenzionali e che fossero facilmente quantificabili con i nostri strumenti di rilevazione.

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Il risultato di questa campagna di screening ha quindi permesso di individuare la lista finale di sostanze da monitorare durante il progetto in termini di concentrazione e di relativi abbattimenti in seguito all’introduzione delle nuove tecnologie sviluppate dalle aziende partner di PerFORM WATER 2030.

Nel caso delle molecole polari, sono state scelte 14 molecole: principalmente farmaci di diverse classi terapeutiche, quattro antibiotici, un composto industriale ed un prodotto di trasformazione di un farmaco.

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Per quanto riguarda i composti apolari, sono stati selezionati i muschi policiclici, profumazioni sintetiche al muschio largamente utilizzate come additivi per la produzione di detergenti, profumi e prodotti per la pulizia domestica. Secondo i report HERA (2008) e ECB (2008), il consumo maggiore di queste sostanze risulta essere localizzato nei paesi del sud Europa, l’Italia al primo posto.

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Si tratta di fragranze semivolatili e lipofile che giungono agli impianti di depurazione attraverso la rete fognaria e qui vengono solo parzialmente degradate, giungendo così nei corpi idrici riceventi e rappresentando un pericolo per l’ecosistema acquatico.

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Insieme alle fragranze, sono stati selezionati anche i ritardanti di fiamma bromurati di nuova e vecchia formulazione, composti organici apolari che, grazie alle loro proprietà ignifughe, sono utilizzati in diversi ambiti industriali in modo da ridurre la possibilità di accensione e bruciatura di una grande varietà di prodotti.

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I ritardanti di fiamma bromurati sono spesso trovati nell’ambiente poiché i normali processi di depurazione non riescono ad abbatterli del tutto, causando così una loro re-immissione attraverso gli effluenti degli scarichi depurati e soprattutto attraverso i fanghi prodotti degli impianti di depurazione, spesso riutilizzati ad esempio in ambito agricolo.

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Per quanto riguarda i composti apolari, alla fine della campagna di "Suspect Screening", sono state selezionate 4 fragranze e un loro metabolita da analizzare sia nella matrice acquosa che nei fanghi e 8 ritardanti di fiamma bromurati da ricercarsi nei soli fanghi di depurazione in quanto la loro presenza nelle acque di scarico è risultata essere minima, in accordo con le loro proprietà chimico-fisiche.


Analisi di elementi in traccia in acque reflue e fanghi di depurazione

Per quanto riguarda i metalli (macroelementi ed elementi in traccia), i maggiori input sono attribuibili a effluenti domestici, acque di drenaggio, effluenti di attività commerciali, deposizioni atmosferiche e emissioni legate al traffico veicolare. Nelle acque di scarico gli elementi più tossici presenti con concentrazioni rilevanti sono generalmente zinco, rame, nichel, mercurio, cadmio, piombo e cromo. Alcuni di questi (es. zinco, rame) sono elementi essenziali per gli organismi viventi incluso l’uomo, in quanto regolano processi biochimici e funzioni fisiologiche; tuttavia, oltre certi livelli, possono causare effetti tossici. Le normative in campo ambientale sono diventate sempre più restrittive e ad oggi alcuni elementi in traccia sono considerati sostanze prioritarie monitorate nelle acque superficiali (cadmio, nichel, piombo, mercurio) e nel biota (mercurio) (D.L. 172/2015).

Nella campagna di "Suspect Screening" l'analisi degli elementi in traccia e macro-elementi è stata eseguita ad ampio spettro, per identificare la capacità di abbattimento degli impianti e la presenza di eventuali criticità. Il focus è stato concentrato sugli elementi che presentano concentrazioni rilevanti (es. Fe, Al, Mn, Zn ecc.) e su quelli che, pur presentando livelli contenuti, possono essere potenzialmente tossici a concentrazioni ambientali (es. Ni, Cr, Cd, Pb, Cu, Hg, ecc.).

Ogni elemento si presenta in diverse forme chimiche, e l’analisi in corso mira a determinare la concentrazione totale nel campione. Per questa ragione non è possibile realizzare una rappresentazione grafica delle specie presenti. Nelle matrici acquose, ogni elemento viene quantificato nel campione tal quale, comprendendo sia la frazione disciolta che quella particolata, sia sul campione filtrato, per determinare le sole specie disciolte, maggiormente mobili e biodisponibili per gli organismi acquatici, pertanto potenzialmente più tossiche. Queste due analisi permettono il confronto con i limiti di diverse normative, quali il D. Lgs. 156/2006, che indica ad esempio le soglie per la re-immissione di acque reflue depurate nei corpi idrici naturali, e il D. Lgs. 172/2015 sulle sostanze prioritarie, che riporta i valori considerati protettivi per l’ambiente per Hg, Pb, Cd e Ni.

Per quanto riguarda gli elementi in traccia, lo screening iniziale è stato effettuato su 25 elementi; tra questi la campagna di "Suspect Screening" ha portato a selezionare 12 elementi elementi da studiare nelle acque e 15 elementi da studiare nei fanghi, in relazione alle concentrazioni rilevate in ingresso e in uscita dai depuratori e alla loro rilevanza ambientale.


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