Studio di un Impianto di deferrizzazione e demanganizzazione per la produzione di acqua potabile

Sommario

Caratteristiche del presente lavoro 2

Cenni storici e problemi attuali 3

Requisiti per le acque destinate al consumo umano 4

Le acque di falda 4

Le acque potabili 5

Problemi igienico-sanitari dell'acqua potabile 7

La situazione attuale della rete idrica di Livorno 9

Principi di funzionamento dell'impianto del Mortaiolo 10

Descrizione dell'impianto del Mortaiolo 11

Ingresso acqua dai pozzi 11

Trattamento con bicarbonati Ca(HCO₃)₂ e Mg(HCO₃)₂ 11

Aerazione 11

Trattamento con permanganato di Potassio KMnO₄ 11

Sedimentazione 12

Alimentazione filtri 12

Filtrazione 12

Stoccaggio acqua trattata e misure finali 13

Clorazione 13

Linea dei fanghi 13

Nocività del Ferro e del Manganese 14

Determinazione Ferro acque ingresso per A.A. 15

Determinazione Ferro acque uscita per A.A. 16

Determinazione Ferro acque ingresso per polarografia 17

Determinazione Ferro acque in uscita per polarografia 18

Determinazione Manganese acque ingresso per A.A. 19

Determinazione Manganese acque uscita per A.A. 20

Determinazione Manganese acque ingresso per polarografia 21

Conclusioni 22

Caratteristiche del presente lavoro

Abbiamo studiato l'impianto di potabilizzazione dell'acqua situato in località Mortaiolo, nel comune di Collesalvetti (Li); in questo impianto vengono abbattuti il Ferro e il Manganese presenti in un'acqua di falda altrimenti non utilizzabile a scopi potabili. Nel nostro laboratorio abbiamo effettuato delle analisi per verificare la presenza di Ferro e di Manganese nelle acque in ingresso all'impianto e l'avvenuto abbattimento nelle acque in uscita.

In questo contesto, abbiamo effettuato una ricerca sulle caratteristiche delle acque potabili, sulla legislazione attuale e sulle problematiche connesse al controllo analitico delle acque.

Cenni storici e problemi attuali

Le prime valutazioni riguardanti le caratteristiche chimiche e microbiologiche dell'acqua destinata al consumo umano risalgono al 1700; in questo secolo furono eseguiti i primi esami chimici delle acque per la determinazione del contenuto di sali minerali, in particolare sali dei metalli alcalino-terrosi (Calcio e Magnesio) che conferiscono all'acqua un sapore tanto più sgradevole quanto maggiore è la loro presenza, ma solamente nella seconda metà dell'800 fu elaborata una metodica semplice e rapida per misurare la concentrazione dei sali che veniva espressa come grado di "durezza".

Fino ai primi decenni del '900 tuttavia l'interesse analitico sulle acque era rivolto anzitutto al controllo del loro stato batteriologico: era noto fin dal secolo precedente che l'acqua può essere un veicolo di diffusione di molte specie batteriche patogene e le frequenti epidemie, soprattutto di colera, indussero molti governi ad adoperarsi per ridurre tale problema.

Alla fine dell'800 si delinearono concetti ancora oggi fondamentali nell'analisi microbiologica delle acque quale l'uso di indicatori batterici e agli inizi del '900 furono formulati i primi standard per la determinazione della qualità microbiologica di un'acqua quali la ricerca di coliformi e il conteggio globale dei batteri attraverso cui è possibile stimare la gravità della contaminazione microbica.

Nel corso del '900, l'estendersi di acquedotti e reti di distribuzione sottoposte a disinfezione ha consentito di garantire una enorme diminuzione del rischio di diffusione di patologie infettive ma rapidamente sono emersi altri gravi problemi per la salute umana, connessi all'uso dell'acqua potabile, derivanti da inquinamento di tipo chimico.

Si può affermare che le cause all'origine della compromissione delle risorse idriche, sono soprattutto:

l'aumento della popolazione in generale e della densità degli abitanti relativa ad alcune zone circoscritte;

i processi di industrializzazione;

l'utilizzo in agricoltura di tecniche basate sull'impiego di ingenti quantitativi di sostanze chimiche.

Nel 1972 l'Organizzazione mondiale della Sanità (OMS) riprese in esame le norme internazionali per l'acqua potabile ed il concetto di potabilità;.le norme OMS stabiliscono che "L'acqua destinata al consumo umano non deve contenere in quantità dannose né sostanze chimiche né germi nocivi per la salute".

Per quanto importanti, i criteri indicati nella precedente citazione non sono di facile applicabilità: accade spesso che un'acqua dichiarata potabile in base alla sua origine, alla purezza chimica e biologica, risulti contenere sostanze che, se non proprio nocive, sono però poco tollerate; la ricerca di queste sostanze può essere trascurata perché i dati a disposizione sono stati ritenuti più che sufficienti per un giudizio igienico sanitario positivo o perché le normative non ne definiscono l'importanza e dunque i livelli accettabili, o ancora perché il carico inquinante può essersi introdotto a valle dei sistemi di controllo; inoltre, le informazioni fornite da una analisi si riferiscono alle condizioni attuali ma non possono essere predittive per il futuro.

Ricordiamo infine che i processi di depurazione di acque di superficie e di falda assumono sempre maggior importanza in una società che, a fronte di una potenziale scarsità di riserve idriche, ed in particolare di riserve idriche non inquinate, fa registrare un vertiginoso aumento della richiesta di acqua per uso civile, agricolo ed industriale.

Requisiti per le acque destinate al consumo umano

La legislazione italiana definisce, classifica e tutela le risorse idriche secondo la loro origine e la loro utilizzazione; dispone inoltre i criteri specifici per il controllo delle risorse idriche e disciplina gli scarichi.

In questa sede abbiamo visionato la legislazione relativa alle acque sotterranee e a quelle potabili, dato che nell'impianto del Mortaiolo un'acqua di falda viene trattata per essere utilizzata come acqua potabile.

Le acque di falda - La qualità di una falda acquifera si basa su indicatori di tipo idrogeologico (livello piezometrico, portate delle sorgenti o emergenze naturali delle acque) e su indicatori chimici; i principali parametri determinati sono i seguenti:

Parametri di base (con (o) sono indicati i parametri macrodescrittori utilizzati per la classificazione).

In particolare, i parametri evidenziati con il simbolo (o) sono utilizzati per la classificazione della falda. Le autorità competenti sono tenute ad analizzare diversi parametri addizionali relativi a inquinanti specifici, individuati in funzione dell'uso del suolo, delle attività presenti sul territorio, in considerazione della vulnerabilità della risorsa e della tutela degli ecosistemi connessi oppure di particolari caratteristiche ambientali. Di seguito viene riportata la tabella dei parametri addizionali con l'indicazione dei relativi valori di soglia:

Parametri addizionali

Secondo lo stato chimico, le falde acquifere vengono classificate in accordo col seguente schema:

Classe 1.  Impatto antropico nullo o trascurabile con pregiate caratteristiche idrochimiche;

Classe 2.  Impatto antropico ridotto e sostenibile sul lungo periodo e con buone caratteristiche idrochimiche;

Classe 3.  Impatto antropico significativo e con caratteristiche idrochimiche generalmente buone, ma con alcuni segnali di compromissione;

Classe 4.  Impatto antropico rilevante con caratteristiche idrochimiche scadenti;

Classe 0.  Impatto antropico nullo o trascurabile ma con particolari facies idrochimiche naturali in concentrazioni al di sopra del valore della classe 3.

L'attribuzione di una particolare classe ad un'acqua di falda viene effettuata utilizzando il seguente schema, tenendo conto anche dei valori riscontrati per i parametri addizionali:

Classificazione relativa ai parametri di base

La classificazione è determinata dal valore di concentrazione peggiore riscontrato nelle analisi dei diversi parametri di base e addizionali.

Le acque potabili - la legislazione italiana indica con accuratezza i parametri di qualità ai quali deve rispondere un'acqua destinata al consumo; essi vengono distinti in parametri organolettici, parametri chimico-fisici, parametri concernenti sostanze indesiderabili, parametri concernenti sostanze tossiche e parametri microbiologici; per ogni parametro sono indicati il valore guida e la concentrazione massima ammissibile.

I VALORI GUIDA rappresentano valori dei parametri al cui raggiungimento deve tendere l'ente che cura l'acqua potabile e rappresentano un livello di sicurezza che dovrebbe essere mantenuto costantemente; la mancata conformità, implica la necessità di un intervento al fine di adeguarvisi.

Le CONCENTRAZIONI MASSIME AMMISSIBILI rappresentano valori dei parametri che non devono essere superati in alcun caso; essi rappresentano infatti un livello di rischio a cui l'organismo non può essere sottoposto nemmeno per un breve periodo di tempo.

Parametri organolettici alla qualità di un'acqua potabile contribuiscono anche i cosiddetti parametri organolettici, cioè l'insieme di caratteristiche direttamente percepite dagli organi di senso quali colore, odore, sapore, torbidità. La sensazione di gradevolezza dell'acqua viene infatti percepita quando quest'ultima si presenta limpida, inodore, incolore ed insapore.

Parametri chimico-fisici - sono parametri che misurano proprietà fisiche dell'acqua come pure il contenuto di sostanze naturalmente e comunemente presenti in essa, non nocive anche se per alcune di esse è consigliabile un contenuto non eccessivamente elevato; questi parametri comprendono la temperatura, il pH, la durezza totale, il residuo fisso, la conducibilità elettrica, l'Ossigeno disciolto e l'anidride carbonica libera, alcuni ioni comuni quali il Calcio, il Magnesio, il Sodio, il Potassio, i cloruri, i solfati e la silice.

Parametri concernenti sostanze indesiderabili - sono parametri volti ad indicare i valori guida e massimi per sostanze che possono con una qualche frequenza trovarsi nelle acque senza inficiarne la potabilità, purché le loro concentrazioni siano sufficientemente basse; questi parametri comprendono gli ioni nitrito, nitrato, ammonio, fosfato, fluoruro, solfuro, alcuni metalli come pure alcune specie organiche (idrocarburi e fenoli), tensioattivi.

Tra questi parametri troviamo il Ferro e il Manganese per i quali vengono riportati valori guida di 50 e 20 mg/litro rispettivamente e valori di concentrazione massima ammissibile di 200 e 50 mg/litro rispettivamente.

Parametri concernenti sostanze tossiche - sono parametri relativi alla presenza di sostanze decisamente nocive per la salute che, se non assenti, possono essere tollerate soltanto in concentrazioni bassissime; ovviamente non vengono dati valori guida ma soltanto concentrazioni massime ammissibili. Si tratta di metalli pesanti (Cadmio, Cromo, Mercurio, Piombo ed altri), antiparassitari e idrocarburi policiclici aromatici.

Parametri microbiologici - si tratta di parametri che indicano la presenza di batteri patogeni o comunemente associati a batteri patogeni (coliformi totali, coliformi fecali, streptococchi fecali, spore di clostridi ed altro).

L'elevato numero e la varietà dei parametri che devono essere oggetto di controllo indicano chiaramente l'attenzione dedicata alle acque potabili come pure la difficoltà di definirne le caratteristiche di potabilità: per quel che riguarda l'aspetto chimico, è elevatissimo il numero di sostanze potenzialmente nocive per la salute umana, derivanti da scarichi civili, agricoli e industriali, che possono contaminare riserve idriche superficiali o sotterranee e la cui presenza deve dunque essere oggetto di controllo per eventuali interventi di depurazione sulle acque destinate ad uso potabile.

La legislazione prevede inoltre l'ubicazione delle stazioni di controllo, la frequenza dei campionamenti e delle analisi come pure i metodi analitici per la determinazione dei vari parametri.

Problemi igienico-sanitari dell'acqua potabile

La contaminazione delle acque può essere ricondotta a tre principali classi di inquinanti:

biologici: virus, batteri, protozoi, alghe

chimici: composti organici ed inorganici

fisici: radionuclidi ed inquinamento termico.

Le fonti di inquinamento del patrimonio idrico sono essenzialmente tre:

civile: è dovuto in genere allo sversamento dei reflui domestici (acque nere e acque bianche) che spesso, anche nei grandi centri urbani, viene effettuato direttamente nelle acque superficiali senza anteporre alcun trattamento di bonifica. I tipi di conseguenze che ne derivano sono:

rischio di diffusione di patologie di natura infettiva;

presenza di un forte carico organico nell'acqua nel punto in cui avviene lo scarico, che può provocare fenomeni di eutrofizzazione;

presenza di elevate concentrazioni di detersivi.

Questi problemi interessano soprattutto le acque superficiali ma talvolta, a causa di condizioni accidentali, ad esempio la rottura di un collettore fognario, possono essere coinvolte anche le acque sotterranee.

Comunque i rischi maggiori per le acque profonde, correlati all'insediamento civile, sono rappresentati dalle discariche di rifiuti specialmente se incontrollate. Infatti in seguito al dilavamento possono avvenire fenomeni di percolazione negli acquiferi sottostanti delle componenti chimiche originariamente presenti nei rifiuti e dei prodotti della loro decomposizione.

industriale: gli inquinanti che hanno questa origine sono svariati dipendendo dal tipo di produzione o lavorazione.

In ambito inorganico si hanno essenzialmente metalli pesanti (antimonio, arsenico, cadmio, cobalto, mercurio, nichel,piombo,etc..) che possono comportare dei rischi per la salute a causa delle loro caratteristiche tossicologiche e della loro persistenza negli ecosistemi. Esistono poi molti altri inquinanti di natura organica (derivati del petrolio, solventi, idrocarburi aromatici policiclici) di cui sono è ormai ben nota la tossicità.

agricola: essenzialmente dovuta all'uso di pesticidi e fertilizzanti.

I pesticidi, a causa della loro persistenza nell'ambiente vengono ormai ritrovati in moltissimi corpi idrici. Di queste sostanze sono noti gli effetti tossici e vi sono sospetti su possibili effetti cancerogeni.

Per quanto riguarda l'inquinamento microbiologico, i microrganismi patogeni che possono essere presenti nelle acque sono:

Shigella; è un bacillo che nell'uomo e negli altri primati provoca dissenteria.

Salmonella: il genere Salmonella comprende oltre 1700 sierotipi di batteri patogeni enterici.

Stafilococchi patogeni: nell'uomo alcuni stafilococchi sono responsabili di gravi fenomeni di tossinfezioni alimentari, a causa della capacità di produrre enterotossine termoresistenti ed attive per via digestiva. La presenza di stafilococchi nelle acque può essere anche causa di contaminazione degli alimenti che possono favorire la riproduzione di batteri e quindi lo sviluppo di tossine responsabili di infezioni.

Vibrio cholerae: è l'agente scatenante del colera e provoca grave dissenteria.

Micobatteri: inducono epidemie a diffusione idrica (polmoniti croniche)

Legionella pneumophila: è un batterio particolarmente resistente alla clorazione e negli acquedotti è stato ritrovato soprattutto in rubinetti, docce e cassoni.

I batteri patogeni, (che, se presenti, sono i responsabili delle epidemie) non sono ricercati routinariamente perché non esistono procedure di laboratorio facilmente applicabili per la loro identificazione con un apprezzabile livello di sensibilità. La ricerca specifica dei patogeni si esegue, in genere, a posteriori utilizzando, come indicatori della loro eventuale presenza, le seguenti specie:

coliformi totali

coliformi fecali

streptococchi fecali

Questi microrganismi non sono generalmente patogeni, ma hanno lo stesso habitat dei batteri patogeni che possono essere rinvenuti nelle acque e cioè nell'intestino dell'uomo e degli altri mammiferi.

La situazione attuale della rete idrica di Livorno

L'acquedotto della città di Livorno, dal 1975, è gestito dall'A.S.A., Azienda Servizi Ambientali, e risulta ormai un'insieme completamente integrato con l'acquedotto del Comune di Collesalvetti. La città di Livorno utilizza oltre 20 milioni di metri cubi di acqua potabile per anno con una dotazione idrica procapite di circa 320 litri per abitante per giorno e circa 4 milioni di metri cubi per anno di acqua industriale. L'acqua distribuita proviene da:

CAMPO POZZI FILETTOLE: è il più antico tra quelli gestiti dall'A.S.A.. Gli 11 pozzi del campo attingono acqua dal subalveo del Serchio, consentendo un emungimento di 420 l/secondo.

CAMPO POZZI DI LUCCA: è costituito da 8 pozzi gestiti dal Comune di Lucca con un prelievo totale di 400 l/secondo di acqua.

CAMPO POZZI PADULETTO: vi sono 5 pozzi di proprietà del comune di Pisa (ma gestiti dall'A.S.A.), che permettono un emungimento di 150 l/secondo.

CAMPO POZZI MORTAIOLO: è il più importante per l'approvvigionamento idrico della città di Livorno, essendo costituito da 50 pozzi con una erogazione di oltre 200 l/secondo.

Le problematiche connesse con l'approvvigionamento idrico della città non sono solo legate alla quantità di acqua disponibile, ma sono anche di natura qualitativa poiché in alcuni punti dell'acquedotto possono facilmente verificarsi degli inquinamenti. Ad esempio nel campo pozzi di Paludetto, in caso di pioggia o allagamenti, si possono verificare inquinamenti e quindi sono necessarie particolari attenzioni nel trattamento delle acque.

L'A.S.A. ha previsto un sistema di disinfezione delle reti idriche tramite impianti dosatori di ipoclorito di sodio; la localizzazione degli impianti, che sono complessivamente 18, è stata studiata in modo da assicurare la disinfezione di tutte le acque emunte e delle reti di distribuzione.

Come sistema di disinfezione l'uso del cloro e dei suoi derivati (es. ipoclorito di sodio) è da circa 70 anni uno dei sistemi più validi per la tutela igienico-sanitaria della popolazione da agenti infettivi trasmissibili attraverso l'acqua. Attualmente il problema delle patologie infettive diffusibili attraverso il mezzo idrico risulta essere meno drammatico proprio grazie all'introduzione di questo disinfettante che è ritenuto ancora oggi un mezzo fondamentale di disinfezione dell'acqua destinata al consumo umano.

Un altro problema è rappresentato dal campo pozzi Mortaiolo la cui acqua risulta particolarmente ricca di composti di Ferro e Manganese, rendendo quindi necessario un trattamento specifico per permetterne la distribuzione nel rispetto delle norme legislative.

Il trattamento viene svolto in un impianto di deferromanganizzazione in grado di determinare un abbattimento dei metalli presenti di oltre 100 volte il valore originale.

Principi di funzionamento dell'impianto del Mortaiolo

Le acque in ingresso all'impianto vengono aerate e quindi trattate con permanganato di Potassio (KMnO₄) per ossidare il Fe(II) a Fe(III) e il Mn(II) a Mn(IV); si ottengono così idrossido ferrico Fe(OH)₃ e biossido di Manganese MnO₂ insolubili che possono essere separati per sedimentazione e successiva filtrazione; l'acqua, dopo clorazione, viene immessa nella rete di distribuzione.

In ambiente neutro lo stesso permanganato utilizzato si riduce a biossido di Manganese; le reazioni sfruttate sono descritte dalle seguenti equazioni:

3 Fe⁺⁺ + MnO₄^- + 2 H₂O + 5 OH^- → 3 Fe(OH)₃ + MnO₂

3 Mn⁺⁺ + 2 MnO₄^- + 4 OH^- → 5 MnO₂ + 2 H₂O

Schema a blocchi dell'impianto del Mortaiolo:

Descrizione dell'impianto del Mortaiolo

Ingresso acqua dai pozzi - L'acqua proveniente dai pozzi entra nell'impianto attraverso il pozzetto di ingresso e di misura (S-5), dove è installato il misuratore di portata a stramazzo (FT-5). La portata misurata viene indicata localmente e riportata a quadro dove viene registrata e utilizzata per il controllo del dosaggio dei reattivi per mezzo degli appositi strumenti controllori.

Trattamento con bicarbonati Ca(HCO₃)₂ e Mg(HCO₃)₂ - È importante che, durante il trattamento, le acque non subiscano modifiche significative del pH; l'ossidazione deve avvenire in ambiente almeno debolmente alcalino altrimenti il permanganato, invece che ridursi a Mn(IV) e precipitare come biossido, si riduce a Mn(II) i cui sali rimangono in soluzione (invece che abbattere il Manganese se ne arrichirebbe il contenuto!); è da notare inoltre che le reazioni stesse di ossidazione provocano un abbassamento del pH come indicano le equazioni chimiche riportate sopra o le due seguenti:

4Fe²⁺ + O₂ + 10 H₂O → 4Fe(OH)₃ + 8H⁺ 2Mn²⁺ + O₂ + 2H₂O → 2MnO₂ + 4H⁺

Un eccessivo innalzamento del pH, indotto da eventuale basificazione o da eliminazione della CO₂ nel corso della aerazione, provoca d'altro canto la precipitazione dei carbonati che possono intasare i filtri:

Ca(HCO₃)₂ + OH^- → CaCO₃ + H₂O + CO₃⁼

Ca(HCO₃)₂ ↔ CaCO₃ + H₂O + CO₂↑

La presenza di bicarbonati da un lato consente di eliminare l'acidità che si genera nelle reazioni di ossidazione,

HCO₃^- + H⁺ ↔ H₂CO₃ → H₂O + CO₂↑

dall'altro evita l'eccessiva diminuzione della concentrazione della CO₂ che si verifica per stripgio nella fase di aerazione

2HCO₃^- ↔ H₂O + CO₂ + CO₃⁼

Aerazione - L'acqua in ingresso all'impianto entra in due vasche (vasche di aerazione S-lA e S-lB) nelle quali viene insufflata, attraverso opportuni diffusori, l'aria fornita da due soffianti (MS-2); nelle vasche, per mezzo di appositi setti interni, viene realizzato un flusso a chicanes. La aerazione ha varie funzioni di processo che sono principalmente lo stripgio dei gas disciolti aggressivi (CO₂ e H₂S) e l'ossidazione di quanto ossidabile con l'aria (Fe, H₂S); si migliorano così anche le condizioni per il successivo trattamento con il permanganato che viene dosato alla fine della sezione dell'aerazione.

Trattamento con permanganato di Potassio KMnO₄ - Il permanganato ha lo scopo di completare la reazione di ossidazione di Fe e soprattutto di Mn, avvenuta parzialmente nella sezione di aerazione ed è pertanto il reattivo principale del processo. Due serbatoi (V-2A e V-2B) muniti di agitatori (ME-lA e ME-lB) consentono la preparazione e la conservazione della soluzione di permanganato utilizzata per il trattamento dell'acqua; la soluzione viene preparata riempiendo ciascun serbatoio di acqua fino al massimo livello e versandovi il quantitativo di permanganato corrispondente alla concentrazione che si desidera ottenere. Si utilizzano soluzioni di concentrazione compresa tra 1,23% e 2,00%, ottenute sversando dai 40 ai 65 Kg di permanganato nei 3,25 m³ di acqua di un serbatoio al massimo livello.

Le quantità di permanganato teoricamente necessarie per ossidare 1 g di Manganese e 1 g di Ferro sono circa 2 g e 1 g rispettivamente ma in pratica può essere necessario un dosaggio maggiore per la presenza di altre specie ossidabili quali sostanze organiche; in condizioni tipiche di funzionamento un serbatoio eroga permanganato ad un flusso di circa 130 l/h consentendo di trattare, nell'arco delle ventiquattro ore, circa 13 m³ di acqua; questo corrisponde ad una concentrazione media del permanganato dosato nell'acqua da trattare di circa 3 mg/l, considerata ottimale per ottenere l'ossidazione richiesta.

Per quanto sia possibili effettuare dosaggi del permanganato utilizzando i due serbatoi in parallelo, il regime comune dell'impianto prevede che un serbatoio sia in funzionamento mentre l'altro è in preparazione o pronto in attesa. L'agitatore del serbatoio in funzione deve essere fermo per evitare trascinamenti di solido nelle tubazioni e/o nelle pompe.

Il dosaggio della soluzione di permanganato è effettuata per mezzo di due pompe dosatrici (P-2A e P-2B), delle quali una titolare e l'altra di riserva. Il funzionamento delle pompe è asservito on/off al livello nel serbatoio e al misuratore redox in uscita dall'impianto; la regolazione della portata è controllata automaticamente in rapporto alla portata d'ingresso all'impianto.

Il punto principale di dosaggio della soluzione di permanganato è l'ultima sezione della vasca di aerazione, che permette di utilizzare tutta la vasca di sedimentazione per completare la reazione e soprattutto di eliminare per sedimentazione il carico di solidi sui filtri.

Sedimentazione - Dalle vasche di aerazione l'acqua dell'impianto passa alle vasche di sedimentazione; qui i prodotti solidi di ossidazione, rimasti in sospensione, hanno modo di depositarsi sul fondo in conseguenza del peso specifico, maggiore di quello dell'acqua, e del ridotto flusso nelle vasche. Questo processo permette dunque di separare i prodotti insolubili e di diminuire il carico di solidi sui successivi filtri. Nell'impianto di Mortaiolo la sedimentazione avviene in due vasche (S-2A e S-2B) funzionanti in parallelo munite di carroponti "vai e vieni" (MS-lA e MS-lB) che raschiano i fanghi sedimentati sul fondo e li convogliano alle tramogge di raccolta; da qui i fanghi sono estratti per mezzo di apposite pompe (P-3A e P-3B).

I fiocchi che si formano dalla reazione di ossidazione di Fe e Mn sono molto leggeri e possono risultare difficilmente sedimentabili; si utilizza in questi casi un flocculante per facilitare la sedimentazione. Il flocculante è un prodotto a base di sali di Al che utilizzato solamente in caso di effettiva necessità.

Alimentazione filtri - L'acqua proveniente dalle vasche di sedimentazione deve essere filtrata per completare la separazione dei solidi; a questo scopo essa viene prima raccolta in una apposita vasca (S-3) dalla quale aspirano le pompe di alimentazione dei filtri (P-4A, P-4B e P-4C).

La vasca ha lo scopo di assicurare un adeguato polmone per il funzionamento delle pompe. Nella vasca sono installati gli interruttori di alto/basso livello per il funzionamento on/off delle pompe.

Nella vasca è anche installato un controllore di livello che regola l'apertura della valvola posta sulla tubazione di mandata delle pompe, in modo da mantenere più costante possibile il livello nell'apposita vasca.

Filtrazione - l'acqua aspirata dalle pompe alimenta quattro filtri a sabbia in parallelo (F-lA, F-lB, F-lC e F-lD) di tipo orizzontale in pressione. Sulla tubazione di alimentazione di ciascun filtro è installato un gruppo di regolazione di portata tarato (FIC-l, FIC-2, FIC-3 e FIC-4), per evitare perturbazioni sul filtro causate da variazioni di portata.

Periodicamente i filtri vengono puliti utilizzando un ciclo di lavaggi con aria (fornita dalle soffianti K-2A e K-2B) e con acqua (fornita dalle pompe P-5A e P-5B) che avvengono in maniera automatica; l'acqua di lavaggio dei filtri viene rinviata alle vasche di sedimentazione e così riciclata.

Stoccaggio acqua trattata e misure finali - L'acqua trattata in uscita dai filtri viene inviata nelle vasche di raccolta (S-4A e S-4B). Sulla tubazione di uscita è inserito un misuratore di portata (FIR-6), un analizzatore di torbidità (TX-l) e un analizzatore di potenziale redox (RX-l). La vasca finale di raccolta è divisa in due ti:

- il primo to riceve l'acqua trattata proveniente dai filtri e costituisce il contenitore polmone e di stoccaggio per l'acqua di controlavaggio filtri (da questo to aspirano le pompe di controlavaggio dei filtri (P-5A e P-5B);

- il secondo to (fornito di controllori di livello di tipo LIC-2A e LIC-2B) riceve l'acqua dal primo per stramazzo e costituisce il contenitore polmone e di stoccaggio delle acque che alimentano la rete di distribuzione.

Clorazione - Prima dell'immissione nella rete di distribuzione l'acqua trattata subisce un trattamento di clorazione che produce un'acqua nella quale la concentrazione di Cloro attivo si aggira tra 0,15 e 0,20 mg/l; comunque un primo processo di abbattimento di eventuali microrganismi presenti avviene ad opera del permanganato stesso che è stato usato in tempi passati come valido disinfettante.

Linea dei fanghi - I fanghi prodotti dall'impianto sono costituiti dai prodotti di ossidazione del Fe e del Mn rimossi dalle acque nonché, qualora utilizzato, dal flocculante.

I fanghi, estratti dalle vasche di sedimentazione con le pompe (P-3A e P-3B), sono inviati agli ispessitori statici (S-201A e S-201B) e successivamente disidratati per centrifugazione (MS-201); sulla linea di alimentazione della centrifuga è situato un sistema di dosaggio di un polielettrolita che garantisce una buona disidratazione. I fanghi disidratati vengono estratti con una coclea (MC-201) e raccolti in un cassone apposito.

Nocività del Ferro e del Manganese

Ferro - Il ferro non è un indice di inquinamento (la sua presenza nelle acque è in genere dovuta al percolamento delle acque attraverso minerali ricchi di tale elemento) ma la sua presenza è sgradita sotto il profilo igienico, organolettico ed impiantistico.

La presenza di Ferro in soluzione nell'acqua favorisce infatti lo sviluppo di ferrobatteri che a loro volta provocano seri problemi dal punto di vista tecnico per l'insorgenza di corrosioni nelle tubazioni e difficoltà nella disinfezione dell'acqua dato che il Ferro consuma i disinfettanti e nei depositi possono annidarsi i batteri che vengono così protetti.

Dal punto di vista alimentare, acque aventi una concentrazione di ferro troppo elevata hanno sapore metallico. Inoltre la presenza di ferro, crea degli inconvenienti dal punto di vista impiantistico dato che il ferro tende a depositarsi nei condotto ostruendo il lume delle tubazioni.

Manganese - Il Mn è considerato un metallo con una tossicità relativamente bassa sull'uomo per cui casi di avvelenamento acuto sono estremamente rari; l'esposizione ripetuta o prolungata può invece dar luogo ad una sindrome nota come manganismo. Questa sindrome è caratterizzata da sintomi simili a quelli che si manifestano con il morbo di Parkinson e e di solito dopo un periodo di esposizione di 1 o 2 anni, ma talvolta anche dopo alcuni mesi (in caso di alte concentrazioni).
Si osservano anche effetti tossici di vario tipo e gravità a carico del sistema polmonare, soprattutto su persone esposte per motivi professionali: polmoniti, bronchiti, ecc.

Altri effetti documentati sono: diminuzione della pressione sanguigna, aumento di aborti spontanei, modificazioni nell'eritropoiesi e nella formazione di granulociti, disturbi nell'escrezione dei 17-chetosteroidi, alterazione dell'attività di alcuni enzimi.

Determinazione Ferro acque ingresso per A.A.

Il Ferro nelle acque in ingresso all'impianto è stato determinato per Assorbimento atomico a 248,3 nm utilizzando acqua distillata come bianco e una soluzione di Ferro a 2,5 mg/l per ottimizzare le condizioni strumentali.

È stato utilizzato il metodo delle aggiunte; il valore atteso per la concentrazione del Ferro nelle acque di ingresso è tra 1 e 2 mg/litro e dunque si sono fatte delle stime preliminari per ottimizzare le aggiunte in modo che non fossero troppo piccole rispetto alla concentrazione presunta né troppo grandi da superare il limite di linearità per il Ferro che è intorno ai 5 mg/litro.

Tre aliquote di 90 ml ciascuna dell'acqua di ingresso sono state addizionate, in matraccio da 100 ml, di 0, 2, 4 ml rispettivamente della soluzione standard di Fe(II) a 50 mg/l e quindi sono state portate a volume; sulle soluzioni così ottenute sono state effettuate le misure di Assorbanza. I dati relativi alla preparazione delle soluzioni e i valori di Assorbanza misurati sono riportati nella tabella seguente.

Le Assorbanze sono state riportate in grafico in funzione dell'incremento di concentrazione dovuto alle aggiunte.

y = 0,0235 + 0,0275 R2 = 0,9986

L'intercetta della retta dei minimi quadrati con l'asse delle ascisse dà la concentrazione del Ferro nelle soluzioni sottoposte ad analisi che risulta 1,17 mg/l. Poiché le soluzioni sono state preparate diluendo 90 ml di acqua di ingresso a 100 ml, la concentrazione nell'acqua di ingresso risulta:

mg/l

Determinazione Ferro acque uscita per A.A.

Anche per la determinazione del Ferro nelle acque in uscita è stato utilizzato il metodo delle aggiunte; il valore atteso per la concentrazione del Ferro nelle acque di uscita è dell'ordine dei decimi di mg/litro o inferiore e dunque è apparsa opportuna la procedura seguente: tre aliquote di 90 ml ciascuna dell'acqua di uscita vengono addizionate, in matraccio da 100 ml, di 0, 2, 4 ml rispettivamente della soluzione standard di Fe(II) a 10 mg/l e quindi vengono portate a volume; sulle soluzioni così ottenute vengono effettuate le misure di Assorbanza. I dati relativi alla preparazione delle soluzioni e i valori di Assorbanza misurati sono riportati nella tabella seguente.

Le Assorbanze sono state riportate in grafico in funzione dell'incremento di concentrazione dovuto alle aggiunte.

y = 0,02x + 0,0007 R2 = 0,9796

L'intercetta della retta dei minimi quadrati con l'asse delle ascisse dà la concentrazione del Ferro nelle soluzioni sottoposte ad analisi che risulta 0,035 mg/l. Poiché le soluzioni sono state preparate diluendo 90 ml di acqua di ingresso a 100 ml, la concentrazione nell'acqua di ingresso risulta:

mg/l

Determinazione Ferro acque ingresso per polarografia

In soluzione 0,3 M di trietanolammina e 0,1 M di KOH, il picco polarografico del Ferro è atteso a -l,01 V (rispetto a Ag/AgCl).

È stato applicato il metodo delle aggiunte, utilizzando le stesse aggiunte già discusse per la determinazione in Assorbimento atomico; prima di prelevare le aliquote dei campioni e di effettuare le aggiunte, in ciascun matraccio da 100 ml sono stati pesati1,6 g di trietanolammina e 0,56 g di KOH in modo da avere, una volta a volume, le concentrazioni desiderate.

La tabella seguente riporta i dati relativi alla preparazione delle soluzioni e le altezze dei picchi polarografici misurati per ciascuna soluzione:

Le altezze dei picchi polarografici sono state riportate in grafico in funzione dell'incremento di concentrazione dovuto alle aggiunte.

y = 5,05x + 5,9167 R2 = 0,9992

L'intercetta della retta dei minimi quadrati con l'asse delle ascisse dà la concentrazione del Ferro nelle soluzioni sottoposte ad analisi che risulta 1,17 mg/l. Poiché le soluzioni sono state preparate diluendo 90 ml di acqua di ingresso a 100 ml, la concentrazione nell'acqua di ingresso risulta:

mg/l

Determinazione Ferro acque in uscita per polarografia

Lo strumento polarografico a nostra disposizione non consente determinazioni accurate di concentrazioni sotto i milligrammi per litro; per tentare comunque di determinare il Ferro nelle acque di uscita per via polarografica, abbiamo concentrato il nostro campione prelevandone 1 litro, facendolo evaporare sotto i 100 ml e quindi portandolo a volume in matraccio da 100 ml. In questo modo abbiamo ottenuto un' acqua nella quale il Ferro è 5 volte più concentrato che nel campione originario.

In un matraccio da 100 ml sono state aggiunte le quantità necessarie di trietanolammina e KOH, 95,1 ml di acqua concentrata e si è portato a volume.

90 ml della soluzione così ottenuta sono stati posti nella cella polarografica; sono stati registrati i polarogrammi di questa soluzione e i polarogrammi delle soluzioni ottenute per aggiunta diretta in cella polarografica, tramite siringa di precisione, di aliquote da 200 ml (0,200 ml) di una soluzione standard di Ferro a 50 mg/l.

Le altezze dei picchi polarografici sono state riportate in grafico in funzione dell'incremento di concentrazione dovuto alle aggiunte.

y = 2,6316x + 1,9649 R2 = 0,9868

L'intercetta della retta dei minimi quadrati con l'asse delle ascisse dà la concentrazione del Ferro nella soluzione sottoposta ad analisi che risulta 0,75 mg/l. Poiché le soluzioni sono state preparate diluendo 95,1 ml di acqua concentrata a 100 ml, la concentrazione nell'acqua concentrata risulta:

mg/l

l'acqua in uscita ha dunque una concentrazione in Ferro cinque volte inferiore:

C _Fe = 0,16 mg/l

Determinazione Manganese acque ingresso per A.A.

Il Manganese nelle acque in ingresso all'impianto è stato determinato per Assorbimento atomico a 279,5 nm utilizzando acqua distillata come bianco e una soluzione di Manganese a 50 mg/l per ottimizzare le condizioni strumentali.

Come per il Ferro è stato utilizzato il metodo delle aggiunte e, note le concentrazioni attese, sono state fatte delle stime preliminari per ottimizzare le aggiunte.

Le soluzioni da sottoporre ad analisi sono state preparate secondo una procedura simile a quella già utilizzata per la determinazione del Ferro nelle acque di ingresso; i dati relativi alla preparazione delle soluzioni e i valori di Assorbanza sono riportati nella tabella seguente.

Le Assorbanze sono state riportate in grafico in funzione dell'incremento di concentrazione dovuto

alle aggiunte.

y = 0,058x + 0,0727 R2 = 0,8918

L'intercetta della retta dei minimi quadrati con l'asse delle ascisse dà la concentrazione del Manganese nelle soluzioni sottoposte ad analisi che risulta 1,25 mg/l. Poiché le soluzioni sono state preparate diluendo 90 ml di acqua di ingresso a 100 ml, la concentrazione nell'acqua di ingresso risulta:

mg/l

Determinazione Manganese acque uscita per A.A.

Dato il basso valore presunto della concentrazione del Manganese nelle acque in uscita, abbiamo tentato anche in questo caso una preconcentrazione del campione.

1000 ml di acqua di uscita sono stati evaporati a circa 200 ml, trasferiti in matraccio da 250 ml e quindi portati a volume; tre repliche del campione così ottenuto, ciascuna di 47 ml, in matraccio da 50 ml, sono state addizionate di 0, 1, 2, ml di una soluzione di Mn(II) a 5 mg/l e quindi sono state portate a volume. Sulle soluzioni così ottenute vengono effettuate le misure di Assorbanza. I dati relativi alla preparazione delle soluzioni e i valori di Assorbanza misurati sono riportati nella tabella seguente.

Le Assorbanze sono state riportate in grafico in funzione dell'incremento di concentrazione dovuto alle aggiunte.

y = 0,065 + 0,0248 R2 = 0,998

L'intercetta della retta dei minimi quadrati con l'asse delle ascisse dà la concentrazione del Manganese nella soluzione sottoposta ad analisi che risulta 0,38 mg/l. Poiché le soluzioni sono state preparate diluendo 47 ml di acqua concentrata a 50 ml, la concentrazione nell'acqua concentrata risulta:

mg/l

l'acqua in uscita ha dunque una concentrazione in Manganese quattro volte inferiore:

C _Mn = 0,1 mg/l

Determinazione Manganese acque ingresso per polarografia

Come il Ferro, anche il Manganese è stato determinato per via polarografica in soluzione 0,3 M di trietanolammina e 0,1 M di KOH; in queste condizioni il picco polarografico del Manganese è atteso a -0,43 V (rispetto a Ag/AgCl).

È stato applicato il metodo delle aggiunte, utilizzando le stesse aggiunte già discusse per la determinazione in Assorbimento atomico; prima di prelevare le aliquote dei campioni e di effettuare le aggiunte, in ciascun matraccio da 100 ml sono stati pesati1,6 g di trietanolammina e 0,56 g di KOH in modo da avere, una volta a volume, le concentrazioni desiderate.

La tabella seguente riporta i dati relativi alla preparazione delle soluzioni e le altezze dei picchi polarografici misurati per ciascuna soluzione:

Le altezze dei picchi polarografici sono state riportate in grafico in funzione dell'incremento di concentrazione dovuto alle aggiunte.

del metallo in esame.

y = 3,1x + 3,8333 R2 = 0,9597

L'intercetta della retta dei minimi quadrati con l'asse delle ascisse dà la concentrazione del Manganese nelle soluzioni sottoposte ad analisi che risulta 1,24 mg/l. Poiché le soluzioni sono state preparate diluendo 90 ml di acqua di ingresso a 100 ml, la concentrazione nell'acqua di ingresso risulta:

mg/l

La determinazione per via polarografica del Manganese nelle acque in uscita non è stata effettuata.

Conclusioni

L'A.S.A. ci ha fornito la media annua relativa all'anno 2001 dei valori di concentrazione del Ferro e del Manganese in entrata e in uscita dall'impianto; nella seguente tabella questi valori vengono confrontati con i nostri risultati sperimentali:

I nostri risultati non mostrano un buon accordo con i dati dell'A.S.A ma occorre ricordare che questi ultimi sono dati medi e che le fluttuazioni periodiche possono essere consistenti; del resto la affidabilità dei nostri dati, almeno per quel che riguarda le concentrazioni del Ferro e del Manganese in ingresso, è testimoniata dall'ottimo accordo tra i valori determinati con le due diverse tecniche, spettrofotometrica e polarografica; ancora ottimo accordo vi è tra il dato dell'A.S.A per la concentrazione del Ferro in uscita e la nostra rispettiva determinazione in Assorbimento atomico; l'inconsistenza del valore polarografico potrebbe essere dovuta banalmente alla scarsa affidabilità del nostro strumento polarografico alle basse concentrazioni o a inquinamenti nel corso della procedura di analisi che ha previsto una fase di concentrazione del campione.

Dubbio infine il valore della concentrazione del Manganese nelle acque in uscita che risulta considerevolmente lontano dal valore atteso; anche in questo caso, a parte le eventuali oscillazioni nelle caratteristiche del campione, dato che la conduzione dell'analisi non ha mostrato alcun problema particolare si può supporre che la fase di concentrazione del campione ne abbia alterato le caratteristiche