aaaaaaa aaaaaaa Servizi Territorio s.r.l. I modelli di dispersione : validazione e applicazione agli impianti di depurazione e trattamento rifiuti liquidi Ing. Daniele Fraternali Servizi Territorio s.r.l. – Cinisello Balsamo (MI) www.serviziterritorio.it www.meteoflux.it Workshop SonicLib: an open-source library for distilling meanings from ultrasonic anemometer data - Milano 11.12.2012 1

Le Linee Guida della DGR Lombardia sul monitoraggio degli odori aaaaaaa aaaaaaa Servizi Territorio s.r.l. Le Linee Guida della DGR Lombardia sul monitoraggio degli odori L’esigenza: disciplinare e governare la problematica della diffusione degli odori provenienti da attività produttive, tra cui in particolare gli impianti di produzione di compost, impianti di digestione anaerobica e gli impianti di depurazione oltre a discariche di rifiuti, industrie alimentari, ecc. Metodo: una specifica normativa contenente le Linee Guida in base alle quali regolare la caratterizzazione e l’autorizzazione delle emissioni gassose in atmosfera delle attività ad impatto odorigeno . Regione Lombardia - D.g.r. 15 febbraio 2012 - n. IX/3018. Determinazioni generali in merito alla caratterizzazione delle emissioni gassose in atmosfera derivanti da attività a forte impatto odorigeno. BURL 20/02/2012 aaaaaaa 2

Le Linee Guida della DGR Lombardia sul monitoraggio degli odori aaaaaaa aaaaaaa Servizi Territorio s.r.l. Le Linee Guida della DGR Lombardia sul monitoraggio degli odori Monitoraggio e limiti alle emissioni odorigene: Una metodica codificata per la misurazione delle emissioni (tecnica della olfattometria dinamica), Le sorgenti vengono monitorate e confrontate con limiti alle emissioni. Gestione del rischio di superamento delle soglie di tollerabilità degli odori (definite nel range da 1 a 5 UO/mc). Introduzione di criteri di correttezza nella percezione e segnalazione degli odori da parte dei cittadini (schede di rilevazione) I ridotti livelli di concentrazione di sostenze osmotiche a cui l’odore diventa percepibile, non sono disponibili metodi analitici di misura. Per questo si prevede l’uso dei modelli di simulazione per esaminare e rendere «oggettive» le segnalazioni dei livelli di UO percepiti dai cittadini. aaaaaaa 3

Il ruolo delle tecniche di misura delle emissioni aaaaaaa aaaaaaa Servizi Territorio s.r.l. Il ruolo delle tecniche di misura delle emissioni Sono descritte in modo dettagliato nelle Linee Guida regionali. La tecnica guida è quella della Olfattometria Dinamica. Campioni di aria inquinata vengono rilevati in modo regolamentato e portati in laboratorio per essere sottoposti alla valutazione di un panel di tecnici esperti (e a loro volta certificati). Il numero di diluizioni del campione raccolto necessarie affinchè la metà dei componenti il panel ne riconosca l’odore è definito come Unità di Odore (UO). L’emissione odorigena sarà caratterizzata dal numero di UO per unità di volume (UO/mc). Associando le unità UO/mc di una data emissione prodotta dall’impianto con la sua portata porta a definire l’emissione (UO(sec) della sorgente stessa. Le tecniche di rilevazione sono diverse per sorgenti areali, fuggitive e/o convogliate. I metodi di rilevazione sono normati dalle Linee Guida. 4

Il ruolo dei modelli di simulazione aaaaaaa aaaaaaa Servizi Territorio s.r.l. Il ruolo dei modelli di simulazione I modelli sono previsti a due livelli di utilità. Fase di previsione del rischio, finalizzata a prevedere i livelli di impatto, secondi i tipici criteri dello studio di impatto ambientale: fase di rilascio delle autorizzazioni all’esercizio. Il modello svolge funzioni analoghe a quelle delle VIA. Modelli di tipo «regulatory» Fase della supervisione di esercizio e della gestione dei contenziosi dopo la realizzazione dell’impianto. La funzione del modello è quella di prevedere e/o interpretare i fenomeni reali. Confronto costante con la realtà fisica. E’ necessario disporre di dati realistici per le due «forzanti» dei fenomeni di diffusione degli odori: la «esatta» misura delle emissioni e delle condizioni micrometeorologiche. 5

Le basi teoriche dei modelli di simulazione della aaaaaaa aaaaaaa Servizi Territorio s.r.l. Le basi teoriche dei modelli di simulazione della dispersione di inquinanti atmosferici Il ruolo della micrometeorologia nei bassi strati atmosferici Nei bassi strati atmosferici (PBL-Planetary Boundary Layer - Strato Limite Planetario ) la presenza o meno di turbolenza atmosferica e’ determinante nel portare a ricadute di inquinanti atmosferici a livello locale. aaaaaaa Rappresentazione qualitativa della stratificazione atmosferica (Stull, 1988). 6

Le diverse condizioni di stabilità dell’atmosfera influenzano aaaaaaa aaaaaaa Servizi Territorio s.r.l. Le diverse condizioni di stabilità dell’atmosfera influenzano la dispersione degli odori La presenza o meno di turbolenza atmosferica e’ determinante nel causare ricadute di inquinanti atmosferici a livello locale. In condizioni stabili (atmosfera stagnante, ore notturne di cielo sereno –situazioni definite anche “inversione termica”) gli inquinanti emessi da camini elevati si propagano in forma compatta su lunghe distanze – basse ricadute locali. Le emissioni a bassa quota (riscaldamento, traffico) restano intrappolati nello strato di inversione causando elevate concentrazioni in atmosfera. In condizioni convettive (solo diurne, forte soleggiamento) gli inquinanti emessi in quota possono essere trascinati al suolo (picchi locali di concentrazione). Le emissioni a bassa quota vengono diluite verticalmente dai vortici convettivi. aaaaaaa 7

Meccanismi di formazione della turbolenza atmosferica aaaaaaa aaaaaaa Servizi Territorio s.r.l. Meccanismi di formazione della turbolenza atmosferica Situazione convettiva - Schematizzazione del processo di formazione di una bolla termica (Oke, 1987). Rappresentazione della situazione di elevata stabilità dello Strato Limite Planetario. aaaaaaa 8

Classificazione “storica” della turbolenza atmosferica aaaaaaa aaaaaaa Servizi Territorio s.r.l. Classificazione “storica” della turbolenza atmosferica (classi di stabilità proposte da Pasquill-Gifford) Vento Radiazione Solare Globale (W/m2) (m/s) >700 700540 540400 400270 270140 <140 <2 A B C D 2  3 3  4 4  5 5  6 >6 Schema per la determinazione della Categoria di Stabilità Atmosferica nelle ore diurne. Vento Radiazione Netta (W/m2) (m/s) > -20 -20  -40 < -40 < 2 D F 2  3 E 3  5 5  6 > 6 schema per la determinazione della Categoria di Stabilità Atmosferica nelle ore notturne. aaaaaaa 9

La nuova definizione della turbolenza basata sulla aaaaaaa aaaaaaa Servizi Territorio s.r.l. La nuova definizione della turbolenza basata sulla “Teoria della Similarità” di Monin-Obukhv Velocità di frizione   Flusso Turbolento di Calore Sensibile.   Lunghezza di Obukhov.   aaaaaaa Nota: u’, v’,w’ e Ө’ rappresentano rispettivamente i valori “istantanei” delle tre componenti del vettore vento e della temperatura dell’aria. 10

Sono input «obbligatori» di alcuni modelli di dispersione … aaaaaaa aaaaaaa Servizi Territorio s.r.l. Caratterizzano lo stato della turbolenza in modo quantitativo e misurabile (non «qualitativo» come le categorie di stabilità) Sono input «obbligatori» di alcuni modelli di dispersione … … che li usano per stimare le dimensioni e la variazione nel tempo dei puff (modelli puff) o l’equazione di Langevin (modelli a particelle). 11

La base sperimentale per il calcolo dei parametri della similarità. aaaaaaa aaaaaaa Servizi Territorio s.r.l. La base sperimentale per il calcolo dei parametri della similarità. Rilevazione delle fluttuazioni turbolente di vento e temperatura w'- componente verticale del vento '- valore istantaneo della temperatura aaaaaaa Strumento utilizzato: Anemometro ultrasonico triassiale. Frequenza campionam.: 10 Hz Ampiezza del campione: 1 minuto w'' - prodotto istantaneo 12

L’anemometro ultrasonico triassiale per la aaaaaaa aaaaaaa Servizi Territorio s.r.l. L’anemometro ultrasonico triassiale per la misura delle fluttuazioni turbolente aaaaaaa 13

I modelli di simulazione aaaaaaa aaaaaaa Servizi Territorio s.r.l. I modelli di simulazione di tipo stazionario (gaussiani) – adatti per analisi di screening, territori pianeggianti, ventosita’ media. Un modello usato: US-EPA AERMOD (sostituisce ISC3) lagrangiani (non stazionari) – necessari in siti orograficamente complessi, e in tutti i siti con scarsa anemologia. Si differenziano in base al metodo di stima della dispersione in un sistema di riferimento lagrangiano (modelli a particelle, modelli a puff). Un modello molto usato: US EPA – CALPUFF Una fonte storica dei modelli è il sito web dell’US-EPA: www.epa.gov/ttn/scram (I modelli citati sono scritti in linguaggio FORTRAN) Una review di modelli per applicazione agli odori è prodotta dal NERI (Danimarca) http://www2.dmu.dk/1_viden/2_publikationer/3_fagrapporter/rapporter/fr541.pdf aaaaaaa 14

La preparazione dell’input di “sorgente” aaaaaaa aaaaaaa Servizi Territorio s.r.l. La preparazione dell’input di “sorgente” Il modello riceve informazioni sulle caratteristiche geometriche e fisiche delle sorgenti che possono essere: puntuali, areali, lineari, volumetriche. La tipologia di sorgente interviene nelle modalità iniziali di propagazione delle sostante odorigene. Le “emissioni” vengono definite in termini di UO/mc di aria odorizzata. Dal “flusso di questa si risale al dato di emissione espresso in UO/sec. La misura delle emissioni viene dettagliatamente descritta dalle Linee Guida con riferimento ai metodi della Olfattometria Dinamica. Le emissioni possono essere accompagnate da un profilo temporale di emissione la cui evoluzione deve essere coerente con il passo temporale delle simulazioni La temperatura delle emissioni è in pratica quella ambiente, dunque le emissioni sono prive dell’innalzamento iniziale (buoancy) tipico delle emissioni degli impianti di combustione. aaaaaaa 15

aaaaaaa aaaaaaa Servizi Territorio s.r.l. Altre opzioni di input Il calcolo delle ricadute inquinanti viene effettuato su una serie di “recettori” collocati ai nodi di una griglia regolare di passo definibile (tipicamente da 10 a 100 metri) Il dato di input meteorologico viene inserito mediante una lista sequenziale di dati rappresentativi di un intero anno solare (passo temporale: 1 ora, come richiesto dalle Linee Guida) Le simulazioni sono effettuate in tutti i punti della griglia per tutte le ore del periodo di simulazione. I risultati devono essere sintetizzati in termini statistici: Le Linee Guida richiedono il calcolo del 98-mo percentile delle concentrazioni orarie in tutti i punti della griglia. aaaaaaa 16

Casi di studio – Fase della Valutazione di Impatto Ambientale aaaaaaa aaaaaaa Servizi Territorio s.r.l. Casi di studio – Fase della Valutazione di Impatto Ambientale Studio di impatto ambientale in fase di autorizzazione di impianto depurazione acque reflue. Mappa del 98-mo percentile delle medie orarie, incrementato del fattore peak-to-mean (pari a 2.3 in base alle Linee Guida). Le curve di livello esprimono le UO/mc. Sono evidenziate in particolare le curve relative a 1, 3 e 5 UO/mc che rappresentano i limiti di esposizione all’esterno aaaaaaa 17

Casi di studio – Monitoraggio online (fase di gestione ) aaaaaaa aaaaaaa Servizi Territorio s.r.l. Casi di studio – Monitoraggio online (fase di gestione ) In una situazione in cui il modello viene utilizzato per la supervisione e il controllo on line del rischio di impatto olfattivo sarà necessario: disporre di una stazione meteorologica entro 5 km dall’impianto (meglio se dotata di anemometro ultrasonico triassiale). Avere già caratterizzato le UO/sec emesse da tutti i punti di emissione censiti (le sorgenti) Effettuare una simulazione per l’ i-mo time step avendo tenuto in memoria i risultati dell’(i-1)-mo time step. Rappresentare il risultato in forma grafica per visualizzare le aree soggette al rischio di impatto. aaaaaaa 18

Casi di studio – Monitoraggio online (fase di gestione ) aaaaaaa aaaaaaa Servizi Territorio s.r.l. Casi di studio – Monitoraggio online (fase di gestione ) Passo temporale delle simulazioni: Le linee guida della Regione Lombardia prevedono simulazioni su base oraria. Per tenere in conto la necessità di stimare i possibili fenomeni di «picco di odore» viene introdotto un coefficiente «peak-to-mean» pari a 2.3. Un numero che nasce (forse) da considerazioni pragmatiche, che in letteratura viene stimato anche fino a 4. Per applicazioni in fase di valutazione di rischio questo approccio è accettabile, ma …… Per l’impiego nel monitoraggio on line o anche per un approccio più rigoroso ……… sarà necessario qualche approfondimento! aaaaaaa 19

Casi di studio – Monitoraggio online (fase di gestione ) aaaaaaa aaaaaaa Servizi Territorio s.r.l. Casi di studio – Monitoraggio online (fase di gestione ) In una situazione in cui il modello viene utilizzato per la supervisione e il controllo on line del rischio di impatto olfattivo sarà necessario: disporre di una stazione meteorologica entro 5 km dall’impianto (meglio se dotata di anemometro ultrasonico triassiale). Avere già caratterizzato le UO/sec emesse da tutti i punti di emissione censiti (le sorgenti) Effettuare una simulazione per l’ i-mo time step avendo tenuto in memoria i risultati dell’(i-1)-mo time step. Rappresentare il risultato in forma grafica per visualizzare le aree soggette al rischio di impatto. aaaaaaa 20

Alcuni passi in avanti: aaaaaaa aaaaaaa Servizi Territorio s.r.l. Alcuni passi in avanti: Due passaggi di approfondimento in corso: Mantenendo l’approccio classico dei modelli lagrangiani, possiamo ridurre il time step, effettuando simulazioni con passo 10 minuti Avendo a disposizione un anemometro ultrasonico possiamo alimentare il modello con i parametri della Similarità ottenuti da “misure” effettuate localmente e non dalle stime di letteratura letterature Meglio ancora, avendo a disposizione un anemometro ultrasonico possiamo provare a bypassare gli stessi parametri della similarità (che sono a loro volta stime, seppure più attendibili) e arrivare a fornire al modello i valori direttamente misurati della turbolenza atmosferica (deviazione standard delle componenti orizzontali e verticali del vento). …… oggi siamo a questo punto aaaaaaa 21

aaaaaaa aaaaaaa Servizi Territorio s.r.l. Caso di studio: Evoluzione della simulazione della diffusione di odori. Sorgente: Impianto depurazione acque (somma di tutte le sorgenti) - Meteorologia: stazione meteo convenzionale Passo temporale: 10 minuti Emissione: costante (nominale). Modello utilizzato: US-EPA CALPUFF aaaaaaa 22