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I microinquinanti organici emergenti nelle acque. Il caso degli interferenti endocrini e delle sostanze ad uso terapeutico-d’abuso
Full text linkLa presente attività di ricerca ha avuto l’obiettivo di studiare il destino ed il comportamento di alcuni microinquinanti organici emergenti nelle acque reflue, con particolare riferimento alle due famiglie di composti considerate di maggiore e più recente interesse: gli interferenti endocrini (IE) e le sostanze ad uso terapeutico-d’abuso.
Nel corso della sperimentazione sono stati monitorati il 4-Nonilfenolo (4-NP), il Bisfenolo A (BPA), l’Estrone (E1), il 17β-Estradiolo (E2) e il 17α-Etinilestradiolo per la famiglia degli Interferenti Endocrini; la Benzoilecgonina (BEG), l’Amfetamina (AM), la Metamfetamina (MET) e l’11-nor-9carboxy-Δ9-THC (THC-COOH) per la famiglia delle Sostanze ad uso terapeutico-d’abuso.
In particolare l’attività sperimentale ha avuto l’obiettivo di individuare la presenza dei microinquinanti suddetti nelle acque reflue civili e le potenzialità di rimozione in un impianto di depurazione (sperimentazione in scala reale), nonché di individuare i processi di rimozione a carico di una vasca a fanghi attivi simulata in reattori batch (sperimentazione in scala di laboratorio).
Il motivo per cui la sperimentazione in scala reale ha preceduto la sperimentazione in scala di laboratorio, in modo inverso rispetto ad un classico iter sperimentale, è direttamente collegato agli obiettivi delle due fasi e cioè verificarne prima la presenza nelle acque reflue e le efficienze di rimozione a carico di un convenzionale impianto a fanghi attivi e successivamente investigare nel dettaglio quali processi intervengono nella rimozione dei microinquinanti organici emergenti dalle acque reflue.La presente attività sperimentale ha avuto l’obiettivo di individuare la presenza di alcuni microinquinanti organici emergenti nelle acque reflue civili e le potenzialità di rimozione in un impianto di depurazione di piccola capacità (sperimentazione in scala reale), nonché di individuare i processi di rimozione a carico di una vasca a fanghi attivi simulata in reattori batch (sperimentazione in scala di laboratorio).
Lo studio è stato effettuato su un impianto di depurazione di piccola capacità, in funzione della tipologia di acque reflue che vengono convogliate allo stesso. Dalle informazioni in possesso del Gestore inerente la rete fognaria è stato possibile ricostruire il bacino fognario afferente all’impianto. Attraverso i dati ottenuti dalla Camera di Commercio, dalla Provincia di Roma e dal Gestore del servizio, sono state censite tutte le attività produttive, industriali e commerciali presenti nel bacino fognario; riportandole su una mappa è stato possibile valutarne la distribuzione spaziale all’interno di esso. L’analisi territoriale è stata di fondamentale importanza per comprendere il contesto urbano in cui l’impianto di depurazione è inserito: in base ad essa è stato possibile osservare una distribuzione disomogenea delle attività produttive, commerciali e industriali nel bacino fognario individuato.
Dalle informazioni desunte sulla rete fognaria e in seguito all’analisi territoriale, il bacino è stato suddiviso in 4 sottobacini. In ognuno di essi sono stati individuati i punti di campionamento rappresentativi, sui quali sono stati effettuati campionamenti puntuali al fine di determinare e correlare le caratteristiche delle acque reflue con le attività produttive, commerciali e industriali presenti in esso. I risultati della caratterizzazione, in termini di macrodescrittori, hanno mostrato differenze nella tipologia di refluo originato da ogni sottobacino; in particolare il sottobacino A e il sottobacino B recapitano in rete fognaria reflui prevalentemente di natura civile e commerciale, mentre i sottobacini C e D reflui con caratteristiche più vicine a quelle di un tipico refluo civile.
Sui campioni prelevati in rete fognaria sono state misurate le concentrazioni di interferenti endocrini. Correlando queste ultime con la distribuzione delle attività commerciali, produttive ed industriali in ciascun sottobacino è stato possibile confermare i risultati dell’analisi territoriale e della caratterizzazione del refluo. In particolare, la presenza del 17α-Etinilestradiolo, in concentrazioni superiori agli altri analiti, nei sottobacini C e D, ne ha evidenziato la vocazione civile, mentre la presenza del Bisfenolo A, dell’Estrone e del 17α-Etinilestradiolo nei sottobacini A e B ha confermato la vocazione civile e commerciale.
Successivamente è stata effettuata una prima campagna di monitoraggio del refluo in ingresso e in uscita dall’impianto di depurazione oggetto dello studio, al fine di valutare le quantità di interferenti endocrini in ingresso e in uscita e di conseguenza, la quantità di ciascun analita rimossa dall’impianto. Le analisi hanno evidenziato che gli Interferenti Endocrini maggiormente presenti sia in ingresso all’impianto che in uscita dallo stesso sono il Bisfenolo A e il 17α-Etinilestradiolo, a conferma della tipologia di acque reflue convogliate presso lo stesso.
Successivamente, per valutare a carico di quale processo avviene la rimozione dei microinquinanti organici emergenti, è stata condotta una campagna di monitoraggio ingresso/uscita dalla vasca biologica e una ingresso/uscita dal sedimentatore secondario. Per poter calcolare le efficienze di rimozione nella vasca a fanghi attivi e nel sedimentatore secondario, sono state effettuate delle verifiche idrodinamiche su entrambi i reattori, utilizzando come tracciante il Carbonato di Litio, al fine di determinare i tempi di residenza reali dei reflui nei bacini.
L’analisi dei dati delle prove idrodinamiche hanno permesso di individuare un tempo di residenza idraulico reale pari a circa 8 ore nella vasca biologica e a circa 1 ora e 40 minuti nel sedimentatore secondario. Le prove hanno evidenziato, inoltre, la presenza di disfunzioni in entrambi i reattori, ed, in particolare, la presenza nella vasca a fanghi attivi di un 9% di volume morto rispetto al volume totale di reflui e di un 7% di bypass di portata rispetto alla portata in ingresso, e nel sedimentatore secondario di un 40% di volume morto rispetto al volume totale dei reflui.
Le analisi effettuate sui campioni prelevati in ingresso e in uscita dalla vasca a fanghi attivi e dal sedimentatore secondario, nonché dalla linea di ricircolo del sedimentatore secondario, hanno evidenziato la presenza dei contaminanti oggetto dello studio in quasi tutti i campioni. In particolare, tutte le sostanze ad uso terapeutico-d’abuso monitorate sono caratterizzate da concentrazioni in ingresso ai reattori in media superiori, anche di un ordine di grandezza, a quelle degli interferenti endocrini. L’analita maggiormente rilevato nei campioni prelevati in ingresso sia alla vasca biologica sia al sedimentatore secondario è l’Amfetamina; tra gli interferenti endocrini, quelli caratterizzati dalle concentrazioni maggiori in ingresso alla vasca biologica e in ingresso al sedimentatore secondario sono stati il Bisfenolo A, il 17α-Etinilestradiolo, e il 4-Nonilfenolo. Tutti i contaminati analizzati, inoltre, hanno mostrato variabilità temporale delle concentrazioni in arrivo all’impianto di depurazione.
Per quanto riguarda, invece, i campioni prelevati in uscita dai bacini, dalle analisi si evince che sia in uscita dalla vasca biologia sia in uscita dal sedimentatore secondario, tutte le sostanze in esame non subiscono una rimozione completa. Nello specifico, nei campioni prelevati in uscita sia dalla vasca a fanghi attivi sia dal sedimentatore secondario gli analiti caratterizzati dalle maggiori concentrazioni sono stati, tra gli interferenti endocrini, il 4-Nonilfenolo e, tra per le sostanze ad uso terapeutico-d’abuso, l’Amfetamina.
Dal calcolo delle efficienze di rimozione degli analiti è emerso che, nonostante tutti i contaminanti vengono rimossi in quantità variabili, tuttavia sono stati rilevati anche valori negativi. Le efficienze di rimozione negative sono, per la maggior parte delle sostanze, da imputare all’adsorbimento e successivo rilascio di esse dai fiocchi di fango presenti nei reattori. Nel caso del 4-NP e del THC-COOH tale fenomeno può essere attribuito anche alla biodegradazione di alcune sostanze, quali ad esempio i Nonilfenoli Polietossilati (NPnEO) per il primo e il THC per il secondo, che durante il trattamento biologico originano, tra i metaboliti della biodegradazione, proprio gli analiti in esame.
Il caso studio ha comunque consentito di verificare che gli impianti di trattamento delle acque reflue, nonostante non siano progettati con tali finalità, presentano discrete capacità di rimozione dei composti organici emergenti presenti in tracce, anche se variabili in relazione alle caratteristiche chimiche della sostanza in esame:
1. il BPA rimosso nella vasca a fanghi attivi è pari a circa il 60% della quantità totale in ingresso; EE2 è rimosso, invece, prevalentemente nel sedimentatore secondario (circa il 40% del totale in ingresso all’impianto);
2. tutti i metaboliti di sostanze ad uso terapeutico – d’abuso analizzati vengono parzialmente rimossi nell’impianto di depurazione; la vasca a fanghi attivi rimuove Amfetamina e THC-COOH, in percentuali pari rispettivamente al 56% e al 35% rispetto al totale in ingresso all’impianto; Metamfetamina e Benzoilecgonina vengono abbattute, invece, nel sedimentatore secondario, rispettivamente del 40% e del 10% della quantità totale in ingresso all’impianto;
3. 4-Nonilfenolo, Estrone e 17β-Estradiolo si ritrovano nell’effluente depurato senza subire alcun processo di rimozione.
La sperimentazione in scala di laboratorio ha evidenziato che la rimozione dei microinquinanti organici emergenti avviene per effetto combinato di volatilizzazione, adsorbimento ai fiocchi di fango e successiva degradazione da parte della biomassa. In particolare, per i microinquinanti organici emergenti oggetto dello studio è emerso che la ripartizione tra la quantità adsorbita e la quantità degradata è funzione della concentrazione iniziale del contaminante, delle proprietà chimico-fisiche delle sostanze e del tempo di contatto tra i fanghi attivi e inattivi e la soluzione contaminata.
In particolare, attraverso le prove batch è stato possibile valutare che:
1. tutte le sostanze investigate vengono rimosse in quantità variabile per volatilizzazione, in funzione della costante di Henry che caratterizza ciascuna sostanza. Il BPA e il THC-COOH sono le sostanze che volatilizzano in maggiore quantità rispetto alla massa totale in ingresso al sistema e pari rispettivamente a circa il 77 % e il 57 %. L’E1, l’E2, l’EE2, l’AM e la MET vengono rimossi in un range compreso tra il 30 % ed il 35 %, mentre la BEG viene rimossa per volatilizzazione solo per circa il 20 %;
2. la rimozione per adsorbimento contribuisce per circa il 70 % alla rimozione dell’E2 dalla fase liquida; bisogna considerare tuttavia che la quantità di E2 trasferita dalla fase liquida alla fase solida può essere influenzata dalla quantità di E2 che si degrada in E1. L’E1, l’EE2 e l’AM vengono rimossi per adsorbimento in quantità variabile e pari ripettivamente a circa il 30 %, il 40 % ed il 46 %. Il BPA, la BEG e il THC-COOH, invece, hanno mostrato scarsa affinità all’adsorbimento ai fiocchi di fango, essendo stati rimossi solo per circa il 16 %, il 13 % ed il 7 % rispettivamente. La MET, infine, non risulta essere rimossa per adsorbimento;
3. le sostanze che vengono rimosse per degradazionee biologica sono il BPA (circa 5 %), l’E1 (circa il 31 %), l’EE2 (circa 15 %) e il THC-COOH (circa il 4 %). Per tutte le altre sostanze, non è stato riscontrata rimozione per degradazione biologica;
4. la MET e la BEG sono le sostanze che si ritrovano in maggiore quantità in soluzione al termine delle prove batch e pari rispettivamente a circa il 62 % e il 70 %, non essendo stata riscontrata per la prima né rimozione per adsorbimento ai fiocchi di fango e né per degradazione biologica e per la seconda esigue quantità rimosse solo per volatilizzazione e per adsorbimento ai fanghi. Per il BPA, l’E1, l’EE2 e il THC-COOH, per i quali la rimozione avviene per effetto combinato di volatilizzazione, adsorbimento ai fiocchi di fango e degradazione biologica, la quantità residua in soluzione è pari a circa il 3 %, l’8 %, il 10 % ed il 34 % rispettivamente. Infine, per l’AM, che viene rimossa solo per volatilizzazione e adsorbimento, la quantità residua in soluzione rispetto alla quantità in ingresso al sistema è pari a circa il 20 %. L’unico analita che non è stato rilevato nelle acque reflue al termine delle prove batch è l’E2.
Le prove batch, quindi, hanno mostrato che una vasca a fanghi attivi simulata attraverso l’utilizzo di reattori discontinui non riesce ad eliminare completamente i microinquinanti organici emergenti dalle acque reflue. Questo comporta un duplice effetto negativo sull’ambiente:
- in primo luogo, la quota parte che si ritrova in soluzione a seguito della degradazione biologica viene rilasciata in corpo idrico superficiale causando possibili alterazioni alla fauna acquatica anche a bassissime concentrazioni;
- la quota parte adsorbita ai fiocchi di fango rappresenta una ulteriore fonte di contaminazione per l’ambiente causata dalla lisciviazione dei microinquinanti organici emergenti accumulati nei fanghi qualora questi vengano riutilizzati in agricoltura.
Le criticità emerse durante l’attività di ricerca sono state:
- l’individuazione delle fonti e delle vie di contaminazione;
- la messa a punto della procedura di estrazione dei microinquinanti organici emergenti dalle acque reflue e successiva determinazione analitica, non essendo disponibile, allo stato attuale, una procedura standardizzata;
- l’impossibilità di effettuare un campionamento medio-composito (24 h) dei microinquinanti organici emergenti di interesse nella rete fognaria selezionata al fine di valutarne la variabilità temporale;
- la quantificazione dei microinquinanti organici emergenti che si accumulano nei fanghi di supero dell’impianto di depurazione e al termine delle prove batch.
Le prospettive future e le necessità degli approfondimento sia della presente attività sperimentale che in generale della ricerca inerente i microinquinanti organici emergenti riguardano:
- studi tossicologici, a completamento di quelli già esistenti, al fine di individuare gli effetti negativi che queste sostanze possono esercitare sulla fauna acquatica e sull’uomo e medio-lungo termine;
- i limiti allo scarico in rete fognaria e in corpo idrico superficiale tali da non alterare le caratteristiche qualitative del corpo idrico ed evitare il bioaccumulo del biota e nei sedimenti;
- l’individuazione di sistemi di trattamento terziari in grado di ridurre al di sotto dei limiti allo scarico (qualora identificati) le concentrazioni nell’effluente;
- la valutazione del destino dei fanghi in relazione alla quantità di microinquinanti organici emergenti accumulata al loro interno.
In conclusione, si può affermare che la rimozione dei microinquinanti organici emergenti oggetto dello studio, risulta solo parziale, a dimostrazione che gli impianti di trattamento convenzionali delle acque reflue non sono in grado di abbattere completamente tali contaminanti (in quanto non originariamente progettati con tale finalità). Questi composti si ritrovano, di conseguenza, nei corpi idrici recettori potenzialmente attivi e quindi pericolosi sia per l’uomo che per l’ambiente
Prove sperimentali per la rimozione di Fe(II) e Mn(II) da acque di falda contaminate mediante adsorbimento: carboni attivi e corteccia di pino a confronto
No full textFate of Some Endocrine Disruptors in Batch Experiments Using Activated and Inactivated Sludge
No full textThe fate of emerging organic micropollutants (EOMs) in wastewater treatment plants (WWTPs) is still not fully determined, and further studies are still needed to assess whether the existing treatment units can be further exploited (e.g., by modifying the operating parameters) or new and different techniques have to be implemented for their removal. The present study investigates the fate of a class of EOMs, i.e., the endocrine disrupting chemicals (EDCs), in batch-activated sludge tests under mixed and aerated conditions, as those usually adopted in full-scale WWTPs. Among the EDCs, the research focused on: bisphenol A, 17α-ethinylestradiol (EE2), and two natural EDCs—estrone (E1) and 17β-estradiol (E2). By applying different operating conditions to the tests, it was possible to distinguish between contributions due to volatilization, adsorption onto the sludge flocs, and biodegradation to the overall removal of each EDC. It was found that all the investigated EDCs were removed mainly by adsorption and biodegradation. Starting from a relatively high concentration (1000 ng/L), the removal process was capable of reducing the influent load to very low values within the duration of the test (i.e., 48 h). Kinetics of the removal process were found to be best fitted by the pseudo-second-order model for all the investigated EDCs; the values of the relative constants were always found to be equal to about 0.0023 1/h. Furthermore, the values of the coefficients KD and KOM were determined and found to be comparable with the data reported by the specialized literature
Fate of selected drugs in the wastewater treatment plants (WWTPs) for domestic sewage
Full text linkThe wide diffusion of Emerging Organic Micropollutants (EOMs) in the environment is receiving increasing attention due to their potential toxicological effects on living organisms. So far, the Wastewater Treatment Plants (WWTPs) have not been designed with the purpose to remove these contaminants; therefore, they can represent the major source of release into the environment both through the effluent and the wasted sludge. The fate of EOMs in the WWTPs is still not completely known; further investigations are therefore needed to assess if it is possible to exploit the existing treatment units to reduce EOM concentrations or which processes must be implemented to this purpose. Among the wide class of EOMs, the present study focused on the following drugs of abuse: amphetamine (AM), methamphetamine (MET), 11-nor-Δ9-THC-9carboxy (THC-COOH) and benzoylecgonine (BEG). Presence and removal efficiency of these drugs in the activated sludge tank of a WWTP for domestic sewage was investigated through analyses at both full-scale and laboratory scale. Determinations conducted in the full-scale WWTP highlighted that, among the searched drugs, AM was found to be the most abundant in the influent and effluent of the biological oxidation tank, while 11-nor-Δ9-THC-9carboxy was present at the lowest concentration. Some removal took place in the units prior to the oxidation tank, although the main reduction was observed to occur in the biological oxidation reactor. All the drugs showed a wide variability of the measured concentrations during the week and the day. Taking into account results from both full-scale observations and batch tests, removals in the biological reactor were found within the following ranges: 33–84% for AM, 33–97% for MET, 33–57% for BEG and 29–83% for THC-COOH. These removals were due to a combination of adsorption and biodegradation mainly, while volatilization did not play a significant role. Other processes, e.g. hydrolysis, were likely to occur. © 2017 Springer-Verlag Berlin Heidelber
"Utilizzo di materiali organici a basso costo per la rimozione di Ferro e Manganese dalle acque sotterranee"
No full textMezzi reattivi a basso costo per la rimozione di Ferro e Manganese da acque sotterranee contaminate
No full textL’attività sperimentale ha avuto lo scopo di verificare le prestazioni di mezzi adsorbenti a basso costo (corteccia di pino e abete) e tradizionali (carboni attivi granulari) per il trattamento delle acque sotterranee contaminate da ferro e manganese in barriere permeabili reattive. È stata valutata l’influenza della concentrazione dei contaminanti e di loro miscele, nonché della granulometria del mezzo reattivo. Al termine della sperimentazione per entrambi i contaminanti si sono ottenute efficienze di rimozione prossime al 100%, indipendentemente dalla granulometria dei materiali testati, fatta eccezione per l’abete che presenta prestazioni lievemente peggiori, essendo tuttavia il materiale a minore costo. Il processo di adsorbimento è stato rappresentato da un punto di vista matematico con le isoterme di Freundlich. Sono state inoltre eseguite prove di rilascio sul mezzo reattivo esausto, che hanno mostrato rilasciati trascurabili. Sono stati infine realizzati reattori colonnari, tuttora in esercizio, alimentati in continuo con una soluzione mista di ferro e manganese; in tali reattori è stata impiegata una miscela di abete (il materiale con le peggiori prestazioni ma più economico) e di carboni attivi granulari in proporzione 9:1 in volume, al fine di massimizzare le efficienze di rimozione ai minori costi
"Experimental tests for Fe(II) and Mn(II) removal from contaminated groundwater by adsorption: a comparison between activated carbon and low-cost adsorbent materials”.
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Water use and water saving in Italian hospitals. A preliminary investigation
Full text linkAim. The aim of this work is to investigate about water use, wastage, saving and reuse in hospitals.
Methods. An anonymous ad hoc questionnaire was tested in a sample of 36 public hospitals of Lombardy Region (21% of total public hospitals). Daily water consumption reported is on average equal to 481 m3, ranging from 30 to 2280 m3. There is a strong correlation between water consumption and number of hospital beds (p < 0.005). In 33 hospitals (92%) water consumption is measured and, among them, in about 48% more than one flow meter is installed; 86% consider “important” the reduction of water consumption and about 55% recognize that wastewater could be minimized within the structures.
Discussion. There is consensus about the need to train health personnel and to implement technical measures to improve the water resources management, but initiatives to raise knowledge and awareness of health personnel have been promoted only in 10% of hospitals.
Results. Results show not only a lack of awareness regarding water use and saving among the personnel in general, but also among heads of the hospitas’ technical office and energy managers as well. For this reason, it will be of interest to carry out this investigation at national level and also to develop recommendations to support and promote a safe reuse of water in all the hospitals
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