Meccanismi di trasporto degli inquinanti nel suolo

MECCANISMI DI TRASPORTO
DEGLI INQUINANTI NEL SUOLO
a cura di Federico Turco e Marco Fantinato
COS’È L’INQUINAMENTO
•
Fenomeno di alterazione della composizione chimica naturale del terreno causato
dall’attività umana.
•
È Dovuto principalmente alle seguenti cause: rifiuti, acque di scarico, prodotti
fitosanitari, idrocarburi, metalli pesanti, scorie radioattive.
•
Il movimento degli inquinanti nel suolo dipende dalle proprietà chimico fisiche
degli inquinanti e dalle proprietà del suolo stesso
EFFETTI DELL’INQUINAMENTO
• Cambiamento chimico del suolo.
• alterazione metabolismo microrganismi e artropodi e conseguente eradicazione di
una parte della catena alimentare a svantaggio dei predatori.
• Bioaccumulo
• Inquinamento sulle piante (alterazione metabolismo)
• Riduzione del raccolto
Rimedi: I rimedi più efficaci per la riduzione dell’inquinamento del suolo si
basano sulle politiche di gestione delle risorse e dei rifiuti
IL SUOLO
Entità eterogenea costituita da materiale organico ed inorganico.
Nel suolo possiamo distinguere tre fasi:
• FASE SOLIDA (50%), composta da particelle terrose ed organismi viventi.
• FASE LIQUIDA (25%), composta dal fluido circolante (acqua) e dai sali in esso disciolto.
• FASE GASSOSA (25%), composta dai gas occupanti gli spazi vuoti nel terreno
25%
solido
gas
50%
25%
liquido
•
Zona vadosa: porzione di terra che si estende fra la superficie terrestre e
l’acquifero, può essere satura in certe occasioni.
Il movimento degli
inquinanti avviene principalmente per gravità.
•
Zona satura (falda acquifera): Zona in cui tutti i pori del terreno sono
perennemente saturi d’acqua.
PROPRIETÀ FISICHE DEL SUOLO
• DENSITÀ REALE: tiene conto solo del volume della frazione solida
m
d
Vs
• DENSITÀ APPARENTE:
tiene conto del volume totale del terreno,
quindi anche degli spazi vuoti
m
d
Vt
• POROSITÀ
La porosità esprime il volume degli spazi vuoti del terreno come
rapporto percentuale sul volume totale. Questa proprietà fisica influenza
direttamente la dinamica della fase liquida e di quella aeriforme nel terreno.
Vv
p
Vt
• PERMEABILITÀ (k): in geologia è una proprietà delle rocce o dei terreni
inconsolidati e rappresenta la capacità di essere attraversati dai fluidi .
DINAMICHE DELL’ACQUIFERO E MECCANISMI DI
TRASPORTO NEL SOTTOSUOLO
• LEGGE DI DARCY:
Il moto dell’acqua in un mezzo poroso saturo è
rappresentato dalla Legge di Darcy. La legge di Darcy, nella sua
espressione più semplice, esprime la relazione tra Q, che rappresenta la
portata che transita attraverso la sezione ortogonale unitaria, il gradiente
delle altezze piezometriche ed un coefficiente chiamato conducibilità idraulica
K che dipende dalle caratteristiche del materiale poroso e dell’acqua:
h
Q  KA
 KAi
l di superficie (L/T);
Q = velocità di Darcy o portata per unità
K = coefficiente di conducibilità idraulica (L/T);
Δh = perdita di carico (L);
Δl = lunghezza (L);
i = gradiente idraulico (1).
•
DISPERSIONE IDRODINAMICA:
•
Diffusione molecolare Consiste nel movimento di soluto da una zona ad
elevata concentrazione verso una zona con concentrazione minore. La
Si considera un flusso saturo in
un mezzo poroso contenente un tracciante (inquinante) a diversa densità.
Inizialmente la porzione occupata dal tracciante è ben separata da quella
occupata dall’acqua pulita. Dopo l’iniezione del tracciante la linea di
separazione tra il fluido ed il tracciante stesso non è più ben definita. Tale
dispersione dell’inquinante non può essere spiegata con il solo movimento
dell’acqua. Questo fenomeno si chiama dispersione idrodinamica ed è il
risultato di due processi:
diffusione interviene fino a quando esiste un gradiente di concentrazione,
anche se il fluido non è in movimento. Il fenomeno della diffusione è
irreversibile ed è generato dal movimento casuale di ioni e molecole
dovuto alla loro attività cinetica. Il fenomeno della diffusione molecolare
viene descritto dalla legge di Fick .
c
J  D
x
J=Flusso (Mol/t)
D = coefficiente di diffusione molecolare, dipende dalla natura dei
partecipanti al processo e dalla temperatura [D] = [cm]2 [sec]-1 I suoi valori
tipici in soluzione sono dell’ordine di 10‐9 m2/sec;
c= Concentrazione della specie diffondente
x=Direzione lungo la quale diffonde
•
Diffusione meccanica: È il fenomeno che produce la diluizione del soluto
durante l’avanzamento del fronte di contaminazione e questo è
sicuramente un beneficio nel caso in cui i valori di concentrazione possano
diventare un pericolo per la salute umana. In molti altri casi, però, la
dispersione è un fenomeno indesiderato perché causa l’incremento del
volume di acqua inquinata. La dispersione meccanica è dovuta a tre
fenomeni principali:
1) presenza di gradienti di velocità all’interno dei singoli pori in funzione
della distanza.
2) presenza di percorsi tortuosi che influenza la lunghezza delle traiettorie
delle particelle di fluido
3) Differenza di scabrezza e di area delle pareti dei diversi pori; il fluido infatti si muove
più velocemente nei pori con dimensioni minori.
Se la dispersione avviene lungo la direzione delle traiettorie del moto si parla di
dispersione longitudinale; si parla invece di dispersione trasversale se le molecole di
soluto tendono a propagarsi anche in direzione normale.
Dispersione idrodinamica
a) Presenza di diversi gradienti di velocità all’interno dei singoli pori in funzione
della distanza.
b) Dispersione dovuta ai percorsi tortuosi
c) Diffusione molecolare
•
• ADSORBIMENTO:
rappresenta il meccanismo chimico-fisico per cui le
molecole instaurano tra loro un’interazione, può essere definito di tipo fisico
se vengono coinvolti legami deboli di tipo intermolecolare (ad esempio legami
di van der Waals), o di tipo chimico se vengono coinvolti legami forti di tipo
intramolecolari (tra ioni o veri e propri legami covalenti). L’adsorbimento
causa la diminuzione della concentrazione nella fase acquosa ed il ritardo del
trasporto del contaminante rispetto al moto dell’acqua.
• ADVEZIONE: L’advezione è quel fenomeno per il quale l’inquinante viene
trasportato dalla massa d’acqua in movimento; Il trasporto avviene lungo la
direzione del flusso idrico. La velocità di advezione di un contaminante è
determinata dal rapporto tra la velocità reale della falda (ricavata dalla legge
di Darcy) e un termine denominato fattore di ritardo che tiene conto dei
fattori chimico-fisici che rallentano il flusso contaminante.
Vreale
Vadv 
R
• VOLATILIZZAZIONE: Data dalla transizione dell’inquinante dalla fase
liquida a quella aeriforme (evaporazione) o dalla fase solida a quella
aeriforme (sublimazione). All’equilibrio è descritta dalla legge di Henry:
C  KH P
C =Concentrazione del gas in soluzione;
K H= Costante di Henry, costante tipica di ciascun gas,dipende dalla
temperatura;
P= pressione del gas nella fase gassosa sovrastante
• FOTOLISI: Avviene solo sulla superficie del terreno.
• DEGRADAZIONE MICROBICA
PROPRIETÀ CHIMICO FISICHE DEGLI
INQUINANTI
Il destino degli inquinanti all’interno del terreno dipende dalle
caratteristiche chimico fisiche che ogni inquinante possiede.
• PESO MOLECOLARE: (g/mol). Sostanze ad elevato P.M hanno
minor tendenza a volatilizzare.
• SOLUBILITÀ: (mg/L). Esprime la mobilità di un contaminante in fase
liquida sia nella zona satura che nella zona insatura. Composti ad
elevata solubilità tendono ad essere presenti in abbondanza nel ciclo
idrogeologico.
• PRESSIONE DI VAPORE: (atm). Valuta il grado di volatilizzazione di un
contaminante in fase liquida nella zona insatura. Rappresenta, per un
composto puro, la pressione gassosa corrispondente all’equilibrio
liquido-vapore. Dipende dalla temperatura.
• COSTANTE DI HENRY: fornisce la misura della tendenza di un composto
a volatilizzare da una soluzione acquosa, come risultato combinato
dell’influenza della sua pressione di vapore e della sua solubilità. Permette di
valutare il grado di volatilizzazione, nell’aria interstiziale, di un contaminante
che si trovi disciolto nell’acqua interstiziale presente tra i pori del terreno. La
costante di Henry è generalmente definita come rapporto tra la
concentrazione di una data specie chimica in fase gassosa e quella in fase
liquida:
K H CA
K 

RT CW
*
H
R = costante universale dei gas (R = 8.2 x 10-5atm-m3/mol-°K).
T = temperatura assoluta [°K]
PV  M
KH 
S
PV= pressione di vapore (atm) ; S= solubilità (mg/L); M=peso molecolare (g/mol)
•
K ow COEFFICIENTE DI RIPARTIZIONE OTTANOLO/ACQUA
(ADIMENSIONALE): È un indice della lipofilicità dell’inquinante, in
quanto testimonia l’attitudine di questo a legarsi alla materia organica
del suolo. Si usa l’ottanolo perché è il solvente organico che più si
avvicina al comportamento della sostanza organica nell’ambiente.
•
COEFFICIENTE DI RIPARTIZIONE NEL CARBONIO
KORGANICO
(MOL/G): Tendenza dell’inquinante a ripartirsi tra il
oc
carbonio organico nel suolo e l’acqua. È il rapporto tra la
concentrazione del contaminante adsorbito al carbonio organico nel
suolo (mg/g) e la concentrazione in fase liquida (mg/ml).
•
COEFFICIENTE DI RIPARTIZIONE SUOLO/ACQUA
K(ML/G):
d
Rappresenta la frazione del contaminante assorbita sul
suolo rispetto al contaminante in soluzione in condizioni di
equilibrio.Per le sostanze organiche:
kd= koc x foc
dove foc= frazione di carbonio organico nel suolo [g-C/g-suolo] .
ALCUNE TIPOLOGIE DI
INQUINANTI, IL LORO
COMPORTAMENTO NEL
SUOLO E ALCUNI
MODELLI CONCETTUALI
INTRUSIONE SALINA
L’ intrusione salina è il fenomeno di penetrazione di acqua salata nelle falde
d’acqua dolce causato da pompaggi eccessivi in prossimità della costa, dove
l’interfaccia acqua- dolce- acqua-salata è meno profonda
NITRATI
FONTE :principalmente allevamenti.
Quando la concentrazione nel suolo di nitrati è superiore ai fabbisogni della
vegetazione, si possono avere perdite per dilavamento ed infiltrazione verso
le falde.
DIMANICA: sono idrosolubili e quindi facilmente idro veicolabili .
Una volta entrati nel sistema acquifero mediante un movimento verticale
discendente lungo il profilo del suolo, essi possono essere disciolti e
trasportati orizzontalmente ed accumularsi in riserve idriche poste anche
ad elevata distanza dall’origine di percolazione
PPP
(Prodotti per la Protezione delle Piante)
Essi includono una grande varietà e diversità di composti che comprendono
diversi sottogruppi: erbicidi, insetticidi, fungicidi, acaricidi, nematocidi)
Inoltre la loro dinamica nel suolo dipende oltre alle variabili citate
sopra(coefficienti di ripartizione e proprietà del terreno e della falda ) dalle
tecniche colturali, meteorologia)
Di seguito riportiamo l’esempio di un modello generale ed esemplificativo:
1. Inizio del ciclo agricolo (primavera); a seguito dell’applicazione dei primi
pesticidi , una parte dei principi attivi viene mobilizzata tramite runoff verso i
canali ad opera delle precipitazioni . Una seconda aliquota resta invece a
disposizione del suolo e comincia ad infiltrarsi verso il basso, con
concentrazioni in acqua molto basse.
2) Nel suolo il contaminante si ripartisce tra fase solida (suolo) e fase
liquida (acqua);
3)Periodo irriguo (estate); a causa dei processi irrigui, la porzione di
pesticidi applicati durante la fase precedente (diserbanti e insetticidi) e
trattenuta dal suolo, in zona non satura in prossimità della superficie,
può essere lisciviata e rimobilizzata verso i canali;
Inoltre i fenomeni di runoff prodotti dall’attività irrigua possono inoltre
causare la veicolazione nelle acque superficiali dei pesticidi applicati
in questo periodo.
4) Contestualmente, l’inizio del pompaggio dai pozzi irrigui collocati
spesso nei pressi degli stessi canali , oltre che influire sulla
portata delle sorgenti, potrebbe causare il richiamo di acque
contaminate dai canali verso le falde più superficiali a loro volta in
grado di alimentare sorgenti minori; a seguito dell’intensificarsi dei
pompaggi, si potrebbe verificare che il livello di falda venga abbassato
fin sotto il livello dei canali permettendo così il drenaggio da
quest’ultimi verso la falda.
5)Fine del ciclo produttivo (autunno); a seguito delle precipitazioni
autunnali si può verificare un’ulteriore rimobilitazione, attraverso
processi di lisciviazione per runoff, di pesticidi presenti nel suolo della
zona non satura verso i canali. L’aumento di portata nei canali
determina la forte diluizione del pesticida eventualmente presente;
6) La riduzione delle portate emunte dalle acque sotterranee per usi
irrigui provoca inoltre la conseguente risalita della falda .
Infine, le acque di infiltrazione forniscono, in questo periodo, la
ricarica alle falde superficiali e, laddove le capacità di adsorbimento e
degradazione dei suoli sono minime, il contaminante può essere
veicolato verso la falda superficiale fino a raggiungerla, sebbene in
concentrazioni probabilmente inferiori al limite di legge.
NON ACQUEOSUS PHASES LIQUIDIS
DNAPLs
NAPL
LNAPLs
Idrocarburi clorurati, usati come
digrassanti, industria elettronica,
concia).
( benzina, diesel
materie prime
chimiche, lubrificanti)
• Cause inquinamento: entrano nel suolo per sversamento volontario o
accidentale a serbatoi, autocisterne o oleodotti).
• Variabili aggiuntive :quantità e pressione.
LNAPLs
Il contaminante si muove in direzione verticale fino al raggiungimento della
tavola d’acqua, dove, essendo caratterizzato da densità inferiore rispetto
all’acqua, galleggia sulla tavola formando uno strato di prodotto libero, o
“pancake” .
DNAPL
• Il contaminante si muove in direzione verticale attraversando la zona
insatura di terreno, raggiunge la tavola d’acqua, e, essendo caratterizzato da
densità maggiore rispetto all’acqua, attraversa la zona satura di terreno e
infine si deposita sul fondo della falda dove forma una pozza (pool) di
prodotto libero
• In realtà i NAPL dopo un certo periodo divengono parzialmente solubili
(eccezione MTBE molto insolubile e resistente alla degradazione perchè le
catene carboniose sono brevi e ramificate).
• I DNAPLs ( in particolare idrocarburi clorurati evaporano e i vapori per
diffusione possono giungere nell’insaturo permettendo:
1. la presenza del vapore nel suolo permette l’identificazione della
contaminazione i senza necessità si costruire pozzi.
2. ridissoluzione nell’acqua pellicolare dell’insaturo e trasportate al di
sotto della tavola d’acqua posso quindi giungere in altri parti
dell’acquifero;
• I LNAPL sono più degradabili ( perché più biodisponibili e presenti a
profondità minori)
METALLI PESANTI
• La diffusione dei metalli pesanti (densità>5 g/m3 ) è legato ad attività
antropiche :
-gli impianti di combustione
-l’estrazione mineraria -smaltimento fanghi
-industria metallurgica,
-olii usati, batterie, pile
• ALCUNE PROPRIETA’ DEI METALLI PESANTI: sono assolutamente non biodegradabili;presentano una bassa solubilità nelle forme idrate;
-hanno una spiccata attitudine a formare complessi;
-hanno diversi stati di ossidazione a seconda delle condizioni di pH.
• lo studio del comportamento dei metalli pesanti e reso complesso dal fatto
che essi non permangano non permangano nella forma in cui essi sono
stati introdotti, ma seguono il destino dei corrispondenti ioni di origine
geochimica presenti nel suolo.
SPECIE PRESENTI NELLE DIVERSE FASI
• FASE SOLUBILE:
• INTERFASE SOLIDO-ACQUA:
(sono idratati)
Ioni
Complessi e chelati solubili
In forma scambiabile su
minerali argillosi, ossidi o
sostanza organica
Adsorbiti
Precipitati
• FASE SOLIDA
Precitati (ossidi,
carbonati, fosfati o
solfuri)
UN ESEMPIO DI CONTAMINAZIONE DA METALLI PESANTI
CASO: ex TRICOM / Galvanica PM di Tezze sul Brenta sito contaminato da
cromo esavalente
La mobilità del cromo esavalente
• La mobilita del cromo esavalente è dovuta alla sua solubità in
acqua;il cromo con valenza sei tende a formare Sali con altri
metalli, assumendo un comportamento non metallicco,
• Il processo fisico che genera il moto dell’inquinante
terreno poroso è causato da fenomeni di:
1. Diffusione (trascurabile)
2. Advezione
3. Dispersione idrodinamica
entro il
ADVEZIONE
Vadv =Vreale/R
RCr6+ =1
V reale =14
m/giorno
PLUME
DISPERSIONE
IDRODINAMICA
• Longitudinale
• Verticale
• trasversale
TRASPORTO DI INQUINANTI NELLE DISCARICHE
IL BIOGAS
Il biogas è soggetto a trasporto che può essere dovuto al gradiente di
pressione (flusso convettivo) o alla diffusione. Possono essere inclusi
anche altri fenomeni come l’adsorbimento e le reazionichimiche e
biochimiche di formazione e distruzione dei composti allo stato gassoso.
IL PERCOLATO
Percolato si trova nel fondo della discarica e si muove verticalmente verso
gli strati inferiori(movimento importante per la contaminazione delle acque
sotterranee), ma può avvenire anche movimento laterale. La velocità di
filtrazione verticale è stimata dalla legge di Darcy.
LA “VAPOR INTRUSION”
È la migrazione di sostanze volatili dal sottosuolo all’interno di ambienti confinati.
Le specie chimiche volatili presenti nei rifiuti interrati, nel suolo saturo (falda) o
insaturo contaminato possono migrare attraverso il suolo insaturo stesso e
raggiungere gli edifici sovrastanti alterando la qualità dell’aria indoor
In casi estremi, i vapori possono accumularsi raggiungendo livelli di concentrazione
tali da comportare:
• rischi per la sicurezza dell’uomo (es. esplosioni)
• rischi acuti per la salute (es. intossicazione)
• problemi estetici (es. cattivi odori)
TIPOLOGIE DI INQUINANTI CHE POSSONO CAUSARE
VAPOR INTRUSION
Nel caso di “Vapor Intrusion”, la contaminazione è legata alla presenza di
specie chimiche volatili che possono includere:
• Composti organici volatili (VOC),
• Alcuni composti organici semivolatili (SVOC), ad es. gli IPA.
• Alcuni analiti inorganici come il Hg e l’H2S (Idrogeno solforato).
MODELLO CONCETTUALE DELLA VAPOR INTUSION
SORGENTE DI CONTAMINAZIONE:
Nel caso specifico della “vapor intrusion”, la contaminazione è legata alla presenza di
specie chimiche volatili. (Il documento [USEPA, 2002] riporta un elenco di sostanze che,
per le loro caratteristiche di volatilità e di tossicità, possono comportare rischio per tale
via di esposizione).
VIE DI MIGRAZIONE:
Volatilizzazione da suolo o da falda contaminati (esposizione on-site).
Percolazione da suolo in falda, diluizione e trasporto in falda, e volatilizzazione da
falda (esposizione off-site).
BERSAGLI:
La “vapor intrusion” si presenta nel caso ci sia presenza di edifici utilizzati a scopo
residenziale, commerciale o industriale, oppure in cui sia prevista la loro realizzazione,
in corrispondenza della sorgente di contaminazione oppure, nel caso di contaminazione
della falda idrica, a valle idrogeologica della sorgente stessa. Il documento [USEPA,
2002] suggerisce di porre particolare attenzione agli edifici situati, lateralmente e/o
verticalmente, nel raggio di 30 m (100 piedi) da suolo o falda contaminati.
BIBBLIOGRAFIA e
SITOGRAFIA
http://www.uniroma2.it/didattica/DIN/deposito/04_DIN_SUOLO_
2009.pdf
USEPA (2002). OSWER Draft Guidance for Evaluating the Vapor
Intrusion to Indoor Air Pathway from Groundwater and Soils
(Subsurface Vapor Intrusion Guidance), EPA530-D-02-004.
Rivista dei combustibili, Vol 55, Fasc.1-2 febbraio 2001;