Qualita’ dell’acqua Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali a.a. 2007-2008 Laurea in Ingegneria Gestionale Laurea Specialistica in Ingegneria delle Telecomunicazioni Laurea Specialistica in Ingegneria Informatica Prof.ssa: Chiara Mocenni http://www.dii.unisi.it/~mocenni/mgsa-teach-07-08.html

A partire dagli anni ’60 si sono manifestati i primi segni di inquinamento e degradazione ambientale come conseguenza dell’eccessiva industrializzazione: - strati spessi di olio nero su cui galleggiavano detriti e spazzatura (Cuyahoga River, 1960); alghe stratificate e pesci morti in superficie (Lake Erie, 1969). Clean Water Act 1972

Growing public awareness and concern for controlling water pollution led to enactment of the Federal Water Pollution Control Act Amendments of 1972. As amended in 1977, this law became commonly known as the Clean Water Act. The Act established the basic structure for regulating discharges of pollutants into the waters of the United States. It gave Environmental Protection Agency (EPA) the authority to implement pollution control programs such as setting wastewater standards for industry. The Clean Water Act also continued requirements to set water quality standards for all contaminants in surface waters. The Act made it unlawful for any person to discharge any pollutant from a point source into navigable waters, unless a permit was obtained under its provisions. It also funded the construction of sewage treatment plants under the construction grants program and recognized the need for planning to address the critical problems posed by nonpoint source pollution.

La Water Framework Directive The European Community has adopted the concept of Integrated Water Resource Management (IWRM) as an integral part of the Water Framework Directive, which was published in October 2000.

La Water Framework Directive General key features of the IWRM approach are the following: Interactions between biophysical, ecological and socioeconomic drivers, processes and impacts should be considered through an integrated system approach. A balance needs to be achieved between economic and environmental objectives, requiring assessment of social and economic impacts from policies, and not only biophysical impacts. Environmental performance and improvement should be measured in view of “good condition” targets. Public participation and collaboration is a key feature of management and decision-making at the catchment level.

La Water Framework Directive In other words, the approach recognizes that the impact of management decisions is not restricted to the water resource itself, but inevitably affects a range of stakeholders with interests in the area. These impacts must be identified and evaluated under different scenarios. To make a balanced and fair judgment, a planner must be able to evaluate the effects of a decision based on a wide range of factors. Since many of the impacts may conflict, an integrated policy requires all the types of benefits and drawbacks to be taken into account and evaluated.

L’acqua e la popolazione mondiale Mentre l’acqua potabile è un bene che in numerose zone viene dato per scontato, in altre essa costituisce una risorsa preziosa, e questo sia a causa della sua scarsità, sia a causa della contaminazione delle sorgenti idriche. Circa 1,1 miliardi di persone, vale a dire il 18 % della popolazione mondiale, non hanno infatti accesso all’acqua potabile, mentre più di 2,4 miliardi di persone non dispongono di impianti fognari adeguati.

L’acqua e la popolazione mondiale Nei paesi in via di sviluppo più di 2,2 milioni di persone, in maggioranza bambini, muoiono ogni anno per delle malattie la cui insorgenza è associabile alla mancanza di acqua potabile, a degli impianti fognari inadeguati e a un’igiene scadente. Una larga percentuale delle persone che vivono nei paesi in via di sviluppo soffre di malattie causate direttamente o indirettamente dal consumo di acqua o cibo contaminati o da organismi infettivi che si riproducono nell’acqua. Potendo contare su un’adeguata disponibilità di acqua potabile e di fognature, invece, l’incidenza di alcune malattie e dei decessi conseguenti potrebbe ridursi fino al 75 %.

Nonostante il 70% della superficie terrestre sia coperta dalle acque, l’acqua dolce costituisce solamente il 2,5% del totale, mentre il rimanente 97,5% è composto da acqua salata. Più o meno il 70% delle riserve di acqua dolce si trova nelle calotte glaciali, e gran parte del resto è presente sotto forma di umidità del terreno, oppure si trova in profonde falde acquifere sotterranee inaccessibili. Può essere utilizzato dall’uomo meno dell’1% delle risorse mondiali di acqua dolce.

Quantità d'acqua presenti nella Terra * Area della superficie terrestre 100 1.385.000.000 Quantità totale 0,008 105.000 700.000 Laghi salati e mari interni 97,3 1.348.000.000 362.900.000 Oceani Acqua salata 1E-04 1.500 Fiumi 13.500 510.100.000 (*) Vapore atmosferico 0,005 69.000 130.900.000 Umidità del suolo 0,009 125.000 830.000 Laghi 0,27 3.740.000 In profondità comprese tra 0 e 800 m 0,34 7.710.000 In profondità comprese tra 800 e 4.000 m Acqua profonda 2,04 28.200.000 15.100.000 Ghiacci polari e ghiacciai 2,7 37.300.000 147.900.000 Acqua dolce % Volume (Km3) Area (Km2) Voce

Le aree di scarsità e di difficoltà idriche sono in crescita, particolarmente nel Nord Africa e nell’Asia occidentale. Nel corso dei prossimi due decenni, infatti, si prevede che il mondo avrà bisogno del 17% di acqua in più per la coltivazione dei prodotti agricoli necessari a sfamare le popolazioni in crescita dei paesi in via di sviluppo, e che di conseguenza l’impiego complessivo delle risorse idriche registrerà un incremento pari al 40%.

Nel corso di questo secolo un terzo delle nazioni che si trovano in regioni sottoposte a difficoltà idriche potrebbe dover affrontare delle gravi carenze nella disponibilità di acqua e, entro il 2025, due terzi della popolazione mondiale vivrà probabilmente in nazioni che affronteranno moderate o gravi insufficienze idriche.

Le risorse di acqua dolce sono distribuite in maniera estremamente disuguale. Le zone aride e semi aride del pianeta, che costituiscono il 40% della massa terrestre, infatti, ricevono solamente il 2% delle precipitazioni globali. L’irrigazione agricola pesa per circa il 70% sui consumi di acqua, e fino al 90% nelle zone aride dei tropici. A partire dal 1960, i consumi idrici per l’irrigazione sono aumentati di oltre il 60%.

Nei paesi in via di sviluppo, fra il 90 e il 95% delle acque di scolo e il 70% delle scorie industriali vengono scaricate nelle acque, dove inquinano le risorse idriche disponibili, senza ricevere alcun trattamento.

I Governi, i ministri e gli esperti idrici riunitisi in occasione della Conferenza Internazionale sulle Acque Dolci (Bonn, Germania, Dicembre 2001) hanno previsto che, allo scopo di raggiungere l’Obiettivo di Sviluppo del Millennio di dimezzare entro il 2015 la percentuale di persone che in tutto il mondo non hanno accesso all’acqua potabile, oltre che di conseguire l’obiettivo di dimezzare, sempre entro il 2015, il numero delle persone che non dispongono di impianti fognari, sarebbero necessari i seguenti provvedimenti: 1,6 miliardi di persone in più avranno bisogno di accedere a servizi e infrastrutture adeguati per la fornitura di acqua potabile. 2,2 miliardi di persone avranno bisogno di sistemi fognari migliori e di conoscenze igieniche più approfondite.

Il ciclo dell’acqua L'acqua presente in natura circola e si trasforma nell'idrosfera seguendo dei percorsi che costituiscono il cosiddetto "ciclo idrologico". Il ciclo idrologico non ha principio né termine. A mano a mano che l'acqua evapora dagli oceani e dalle terre, essa diviene parte dell'atmosfera. Il vapore s'innalza ed è trasportato per l'atmosfera sino a che si condensa e precipita sulla terra o sul mare. L'acqua precipitata può essere intercettata o traspirata dalle piante, può scorrere in superficie o venir giù per declivi fra strati diversi del terreno, oppure può infiltrarsi sottoterra. L'acqua che rimane alla superficie riempie le zone più basse, si raccoglie e poi evapora oppure, dopo essersi raccolta, scorre via in un secondo tempo. Gran parte dell'acqua intercettata e traspirata e di quella che scorre sul terreno ritorna nell'atmosfera in seguito ad evaporazione. L'acqua che si infiltra nel terreno può raggiungere le regioni più profonde ed ivi raccogliersi sotto forma di acqua sotterranea, per uscir quindi fuori come sorgente od incanalarsi in un corso d'acqua entrando a far parte delle acque di scorrimento, ed evaporare infine nell'atmosfera per completare così il ciclo idrologico.

In sostanza… La differenza tra l’acqua che arriva al suolo per le precipitazioni – precipitation (>) e quella che lascia il suolo per evaporazione e traspirazione - evapotranspiration (<) è l’acqua che ritorna negli oceani scorrendo in superficie (fiumi) o sottoterra (acque sotterranee) - runoff.

Gli inquinanti nell’acqua L’acqua che viene utilizzata, una volta restituita all’ambiente è inquinata. Le ragioni di questo sono molte. Elenchiamo le principali. Inquinamento sanitario La scarsità di acqua e la sua contaminazione da parte di microrganismi, rappresenta una delle cause più importanti di malattia. L’Organizzazione Mondiale della Sanità ha stimato che tale problema sia responsabile di circa cinque milioni di morti all’anno nel mondo. Nei paesi in via di sviluppo, soprattutto in Africa, la possibilità di usufruire di acqua potabile da parte della popolazione potrebbe evitare circa due milioni all'anno di decessi di bambini a causa di diarrea.

I batteri sono responsabili della trasmissione di malattie quali colera, dissenteria, febbre tifoidea, mentre i virus sono responsabili di malattie quali epatite e poliomielite. Altri tipi di malattie non sono determinate direttamente da microbi presenti nell’acqua, quanto piuttosto da piccoli animali che fungono da vettori di malattia. Tali animali sono ad esempio insetti che vivono in prossimità di acque (per lo più stagnanti) e che fungono da ospiti per i microrganismi patogeni che vengono inoculati nell’uomo al momento della puntura: ciò si verifica per esempio per la malaria, il cui agente responsabile (Plasmodio) e trasmesso in occasione della puntura di particolari specie di zanzare (anopheles). Alternativamente le malattie possono essere provocate dal consumo alimentare di pesci o crostacei che a loro volta fungono da ospiti per altri microrganismi.

Qualita’ dell’acqua Una delle misure più importanti della qualità dell’acqua è il quantitativo di ossigeno disciolto. Il valore di saturazione dell’ossigeno, che dipende da salinità e temperatura, è modesto e varia tra 8 e 15 mg di ossigeno per litro d’acqua. Il minimo quantitativo di ossigeno raccomandato per la vita dei pesci è di 5mg/l. In alcuni casi può essere necessario anche un quantitativo superiore (eg. 8 mg/l per i salmoni).

I rifiuti organici sono sostanze che si ossidano I rifiuti organici sono sostanze che si ossidano. Quando i batteri decompongono tali sostanze l’ossigeno disciolto nell’acqua diminuisce, fino anche a creare problemi per la sopravvivenza dei pesci. Il carbonio organico può provenire sia da fonti naturali (zone paludose), sia da fonti derivate dall’uomo (industrie o impianti di trattamento di acque inquinate). In acque ricche di azoto e fosforo, dove è in atto un processo di eutrofizzazione, le stesse alghe possono divenire la principale fonte di materiale organico e contribuire, quindi, al processo di deossigenazione. Anche la struttura del corpo idrico può influire; tratti di fiume chiusi o lenti facilitano infatti l’accumulo di sostanze organiche.

Con il termine BOD (domanda biochimica di ossigeno), si intende la quantità di ossigeno consumato durante un tempo determinato (5 giorni per il BOD5), ad una data temperatura, per decomporre le sostanze organiche presenti nell’acqua attraverso l’azione dei batteri (respirazione cellulare). Il BOD5 rappresenta il 68% del BODtot, necessario per ossidare tutto il substrato organico nell’arco di 20 giorni. Un’elevata domanda biochimica d’ossigeno è l’indice di un’intensa attività batterica di demolizione organica e potrebbe quindi evidenziare la presenza di un inquinamento di tipo organico. Per tale motivo, il BOD5 viene considerato come misura della quantità dei microrganismi presenti nell’acqua analizzata.

La decomposizione batterica Decomposizione batterica aerobica: OM + O2 CO2 + H2O + Cellule + Prodotti (NO3, PO4, SO4,…) Decomposizione batterica anaerobica: OM CO2 + H2O + Cellule + Prodotti (H2S, NH3, CH4,…)

Come si può calcolare il BOD? Immaginiamo un contenitore con un certo quantitativo di materiale organico biodegradabile. Questo quantitativo diminuisce man mano che viene ossidato, fino a che finisce.

dove k è la costante di reazione. Sia Lt la quantità di ossigeno richiesta al tempo t. Assumendo che il suo decadimento avvenga tramite una reazione del primo ordine, abbiamo dove k è la costante di reazione.

La soluzione dell’equazione è dove L0 = BODt + Lt, cioè è la quantità di ossigeno consumata al tempo t (BODt) + la quantità di ossigeno che rimane ancora da consumare.

La costante k dipende dalla temperatura secondo la funzione seguente: Combinando le due equazioni si ottiene: BODt=L0(1-e-kt) La costante k dipende dalla temperatura secondo la funzione seguente: kT=k20 (T-20)

I nutrienti nell’acqua I nutrienti sono sostanze chimiche quali fosforo, azoto, carbonio, zolfo, calcio, potassio, ferro, manganese, ecc. essenziali per gli organismi viventi. In termini di qualità dell’acqua essi sono considerati inquinanti quando sono presenti in quantità eccessive, tanto da provocare la crescita esagerata di piante acquatiche (eutrofizzazione). Nutrienti limitanti. In genere l’azoto nel mare e il fosforo nelle acque dolci.

L’azoto proviene da scarichi urbani, dalle acquacolture, è contenuto nei fertilizzanti e direttamente nell’atmosfera, particolarmente nelle vicinanze di industrie. Il fosforo, al contrario, non si trova negli ambienti naturali, ma proviene principalmente dalle attività umane, come negli scarichi agricoli e domestici (ad es. nei detergenti).

L’Eutrofizzazione L'eutrofizzazione è un processo degenerativo delle acque indotto da eccessivi apporti di sostanze ad effetto fertilizzante (azoto, fosforo ed altre sostanze fitostimolanti) trasportate a mare dai fiumi e dagli insediamenti costieri.

L’Eutrofizzazione Le principali fonti di generazione sono costituite dal settore agro-zootecnico e da quello civile (insediamenti urbani). Il primo contribuisce con circa il 60 % dei carichi di azoto riversati in mare, il secondo con circa il 50 % di fosforo. L'eutrofizzazione è un fenomeno relativamente recente, compare in forma acuta nell'Adriatico Nord - occidentale nella seconda metà degli anni '60, si manifesta in molti altri mari nel mondo (Chesapeake Bay - USA, Mare del Nord e Mar Baltico, Baia di Tokio, ed altre aree).

La condizione che accomuna questi casi è la forte antropizzazione del territorio conseguente ad un rilevante sviluppo economico e sociale, ed il fatto che i bacini idrografici che attraversano queste aree scaricano le loro acque in mari semichiusi. E' in sostanza un fenomeno totalmente attribuibile alla pesante presenza dell'uomo sul territorio.

Il fenomeno si manifesta con alterazione del colore e della trasparenza delle acque per le alte concentrazione di microalghe (il cosiddetto fitoplancton) in sospensione. Tale processo può avere ricadute sull'ambiente molto negative; nel periodo estivo - autunnale, quando le acque sono calde e calme e si hanno pertanto marcate stratificazioni, si possono generare diffuse e persistenti carenze di ossigeno nelle acque di fondo con stati di sofferenze nelle comunità bentoniche (pesci di fondo, molluschi, crostacei, ecc.).

Per riuscire a ripristinare condizioni equilibrate, tali da ridurre la frequenza dei casi acuti di eutrofizzazione senza incidere sulla produttività/pescosità delle zone costiere, occorre mettere in atto misure atte a ridurre i carichi delle principali sostanze eutrofizzanti (azoto e fosforo). Dopo l'importante risultato legato all'abbattimento del fosforo nei detersivi occorrerebbe andare oltre con azioni ed interventi capaci di ridurre ulteriormente i contributi di sostanze ad effetto eutrofizzante provenienti dal settore agrozootecnico (per l'azoto) e da quello civile (per il fosforo).

Inquinamento da surriscaldamento I grandi impianti di generazione dell’energia richiedono l’utilizzo di molta acqua calda. Se il calore viene successivamente rilasciato in un fiume locale o in un lago l’innalzamento risultante di temperatura può causare danni all’ecologia del sistema.

I Pesticidi L'uso dei composti agrochimici ha alterato gli ecosistemi sia relativamente alla fauna che alla flora; le conseguenze più rilevanti sono state: la riduzione della variabilità genetica dei sistemi viventi, i processi di eutrofizzazione delle acque dolci e di quelle marine, l'alterazione chimico- fisica e biologica dei suoli.

I Pesticidi Studi sulla diffusione, la trasformazione, la persistenza e l'accumulazione nei tessuti di piante e animali dei prodotti chimici impiegati nei processi agricoli, mettono in evidenza aspetti più complessi delle interferenze indotte da tali prodotti sulle strutture e sulle funzioni degli ecosistemi. Sempre più evidenti risultano i danni per la salute e per l'ambiente derivanti da un eccessivo e crescente inserimento di composti chimici in agricoltura, sia in termini di accumulazione di residui tossici e cancerogeni nel tessuto adiposo di uomini e animali, che di avvelenamento dei suoli, delle acque sotterranee e di superficie etc. Notevoli sono i danni ambientali causati dai fertilizzanti chimici che si aggiungono al suolo per mantenerne o aumentarne la produttività e quindi la resa delle colture.