Idraulica e Ambiente: Definizione e Ambito di Studio
L'idraulica ambientale (i.a.) è un ramo dell'ingegneria che si occupa dell'ambiente e della sua corretta gestione. In molti paesi, inclusa l'Italia, l'i.a. si è evoluta dall'ingegneria sanitaria, cioè da quel ramo dell'ingegneria preposto alla progettazione di opere di protezione della salute pubblica, quali depuratori, sistemi di potabilizzazione delle acque e reti fognarie.
Il termine i.a. è stato introdotto negli Stati Uniti negli anni Sessanta, quando si è cominciato a realizzare che la protezione della qualità delle acque, dell'atmosfera e del suolo è necessaria per salvaguardare il benessere pubblico. Così, in tempi recenti, l'i.a. ha assunto come campo di competenza lo studio dei processi chimici, biologici e fisici che avvengono nelle acque, nell'atmosfera e nel suolo, e lo sviluppo di tecnologie destinate a minimizzare l'impatto della società industriale sugli ecosistemi presenti in natura e sulla popolazione umana in generale.
L'i.a. è una scienza interdisciplinare, basata sia su discipline dell'ingegneria tradizionale quali l'ingegneria sanitaria, la chimica e la civile (in particolare idraulica), sia su scienze applicate quali idrologia, chimica, fisica, geologia, biologia e tossicologia.
Obiettivi e Competenze
L'obiettivo del Dottorato è quello di integrare le competenze e gli approcci di diverse discipline nel tentativo di arrivare ad una completa comprensione e rappresentazione quantitativa dei fenomeni (che riguardano l’ingegneria ambientale e l’ingegneria idraulica) ai fini della verifica e progettazione idraulica e ai fini del controllo e della progettazione dei più adeguati ed innovativi sistemi di gestione, utilizzo e risanamento.
Aree di Ricerca nell'Ingegneria Idraulica
Nell'ambito del curriculum in Ingegneria Idraulica, i temi di ricerca sono:
- meccanica dei fluidi
- dinamica della turbolenza
- idraulica numerica
- idraulica delle reti di distribuzione
- idraulica marittima
- costruzioni idrauliche e marittime
- idrologia
- difesa della linea di costa
- integrazione delle equazioni del moto in forma controvariante
- simulazione delle correnti a superficie libera in presenza di shock
- flussi bifase e correnti di torbidità
- deflusso minimo vitale
- dinamica delle grandi masse fluide
- turbolenza bidimensionale e tridimensionale
- metodi ottici per il rilievo della velocità e della densità dei fluidi
- instabilità nella meccanica dei fluidi
- bioingegneria, circolazione arterio-venosa del sangue
- strato limite atmosferico
- dispersione degli inquinanti
- simulazione in laboratori di fluidi in un sistema di riferimento rotante, brezze di terra e di mare, venti di pendio ed isole di calore
- mezzi porosi ed idrogeologia
- modifica dei criteri di progettazione in idraulica in funzione dei cambiamenti climatici.
Aree di Ricerca nell'Ingegneria Ambientale
Nell'ambito del curriculum in Ingegneria Ambientale, i principali temi di ricerca sono:
- bonifica dei suoli contaminati
- caratterizzazione meccanica di materiali da rifiuto
- dissesto idrogeologico e instabilità dei versanti, frane e deformazioni superficiali del suolo
- aspetti geotecnici nella difesa del suolo
- pianificazione, previsione e gestione degli eventi alluvionali
- remote sensing
- pianificazione, previsione e gestione dell'inquinamento atmosferico
- recupero, riuso e riciclaggio di materiali di scarto
- tecniche di ingegneria naturalistica
- trattamento e riutilizzo delle acque reflue
- trattamento delle acque primarie e destinate al consumo umano
- trattamento e smaltimento di rifiuti urbani e pericolosi
- tutela delle risorse idriche dall'inquinamento.
Bonifica di siti contaminati
È uno dei compiti più importanti, e tecnicamente più difficili, dell'i. ambientale. In genere due sono le principali componenti ambientali da risanare: i suoli (sia quelli contaminati direttamente che quelli sottostanti), e la falda acquifera più superficiale, contaminata dalla percolazione di materiali nocivi.
I tipi d'intervento di bonifica di un sito possono dividersi in due categorie generali: interventi in situ, cioè sul luogo e senza la rimozione di acque o suolo, e interventi ex situ, che comportano la rimozione dei materiali contaminati.
- Interventi in situ:
- Contenimento: isolare o contenere materiali inquinanti o acque di falda inquinate.
- Trattamento: eliminazione dei materiali nocivi.
- Interventi ex situ: rimozione dei materiali contaminati.
Contenimento in situ
Le tecnologie di contenimento sono usate per isolare o contenere materiali inquinanti o acque di falda inquinate, oppure per impedire che acque di falda non contaminate vengano in contatto con suoli inquinati.
Trattamento in situ
La biodegradazione in situ è basata sulla stimolazione dei microorganismi presenti naturalmente nel suolo per accelerare la degradazione degli inquinanti. Il trattamento chimico in situ implica l'iniezione di un particolare agente chimico nel sottosuolo per degradare, immobilizzare o espellere gli inquinanti d'interesse.
Le tecnologie di bonifica che implicano un intervento sul sottosuolo con mezzi fisici sono: lo stripping con aria (soil vapor extraction), utile per rimuovere contaminanti organici volatili; il riscaldamento del suolo; la sua vetrificazione o il suo congelamento.
Trattamento ex situ
Come precedentemente rilevato, le due maggiori componenti ambientali da risanare sono in genere suoli e acque contaminate. Data la considerevole differenza di caratteristiche delle acque da trattare, una vasta gamma di processi di trattamento è potenzialmente applicabile.
I processi di trattamento delle acque possono essere classificati come processi biologici o chimico-fisici. Fra i processi biologici si ricordano: fanghi attivi, filtri percolatori, dischi biologici e stagni biologici.
Numerosi sono i processi chimico-fisici applicabili al trattamento di acque ex situ.
Gli interventi di trattamento dei suoli ex situ possono essere divisi in tre categorie: biologici, chimico-fisici e termici.
Quanto ai trattamenti chimico-fisici dei suoli, esistono numerosi metodi fra i quali: l'estrazione degli inquinanti per mezzo di solventi; l'ossidazione chimica; l'idrolisi; la fotolisi; la stabilizzazione; la solidificazione.
Il trattamento termico comprende una serie di processi che utilizzano l'ossidazione ad alta temperatura e in condizioni controllate per degradare una sostanza in sottoprodotti che generalmente includono anidride carbonica, vapore acqueo, ossidi di zolfo e azoto, acido cloridrico e ceneri. In genere, i composti prodotti dalla distruzione termica richiedono l'installazione di dispositivi di controllo delle emissioni, per evitare il rilascio di sostanze dannose nell'atmosfera.
Rimozione e smaltimento ex situ
Per quanto riguarda le acque di falda inquinate, la loro rimozione può essere effettuata per mezzo di pozzi o drenaggi sotterranei. Per acque provenienti da altre fonti, le modalità di raccolta variano considerevolmente a seconda delle condizioni incontrate sul sito.
Il metodo di smaltimento di acque inquinate dipende dalle loro caratteristiche d'inquinamento e dal loro volume. Nel caso le acque abbiano le caratteristiche adatte, e il loro volume non sia eccessivo, è possibile considerare il loro mescolamento e diluizione (dietro ottenimento di opportuni permessi) con acque destinate al trattamento in depuratori pubblici.
La rimozione di suoli contaminati avviene per mezzo della loro escavazione e caricamento su appositi veicoli. Il loro smaltimento può essere effettuato presso discariche controllate. Se il potere calorifico del suolo, cioè la quantità di energia termica generata durante la combustione, è abbastanza elevato, esso può essere mescolato a combustibili tradizionali e co-incenerito.
Gestione dei rifiuti
Una delle questioni più importanti nei paesi industrializzati, e di conseguenza uno dei problemi fondamentali dell'i.a., è la gestione dei rifiuti sia urbani che speciali, compresi i rifiuti tossici e nocivi. Due sono i problemi fondamentali: come rimediare in maniera efficace ai guasti derivanti dal passato smaltimento improprio di rifiuti; e come prevenire il deterioramento ambientale causato dalla continua generazione di rifiuti. "Gestione dei rifiuti" è un termine generale. Esso può indicare vari processi (o loro combinazioni) distinti: l'eliminazione della generazione di rifiuti; il loro riciclaggio e/o recupero; il loro trattamento o distruzione; il loro smaltimento.
La soluzione migliore del problema rifiuti è chiaramente l'eliminazione, o comunque la riduzione della loro generazione. Per quanto riguarda i rifiuti industriali, occorre modificare e rendere più efficienti i processi che li generano. Si ottengono così due conseguenze positive: la riduzione dei volumi di rifiuti generati e la diminuzione dei costi di produzione dovuta a un migliore uso delle risorse.
Per riciclagggio s'intende il recupero di materiali di scarto per il loro riuso e/o per l'introduzione nel ciclo produttivo di provenienza. Tipicamente, i materiali riciclati sono il vetro, la carta, l'alluminio e la plastica.
Per recupero dei rifiuti s'intende il loro utilizzo per la produzione di materiali (quali combustibili, compost, biogas, fertilizzanti, ecc.) o di energia. I più importanti materiali di recupero ottenibili dai rifiuti sono il compost, un prodotto ottenuto dalla stabilizzazione dei rifiuti solidi urbani e usato come condizionatore del suolo, e il RDF (Refuse Derived Fuel, "combustibile derivato dai rifiuti").
Il trattamento dei rifiuti, che può essere utile per ridurre il costo del loro smaltimento finale, può essere di tipo chimico, fisico, biologico o termico. I primi tre tipi comportano un intervento sui rifiuti per cambiarne la natura e renderli innocui per la salute e l'ambiente.
Lo smaltimento finale dei rifiuti avviene in discariche controllate, le cui caratteristiche si differenziano a seconda che si tratti di rifiuti urbani, speciali o tossici e nocivi. Con il termine "discarica controllata" si designa un impianto per l'interramento igienico dei rifiuti, con tecniche che comprendono il loro spargimento in strati sottili, la loro compattazione, e la loro copertura con strati di suolo alla fine di ogni giornata lavorativa. Con l'uso delle discariche controllate si intende isolare il più possibile i rifiuti dall'ambiente circostante, in particolar modo dalle acque sotterranee sottostanti. Questo viene ottenuto mediante l'impiego di teli di materiale impermeabile e/o di strati di terreno a bassa permeabilità (generalmente argilla) posti al disotto dei rifiuti interrati.
Protezione della qualità dell'aria
L'attenzione pubblica verso la qualità dell'aria, le cui origini possono farsi risalire al 14° secolo, è andata aumentando in questo secolo e soprattutto in anni recenti.
Il deterioramento della qualità dell'aria ha però conseguenze anche a livello nazionale e transnazionale. Si pensi al problema delle piogge acide, che sono la conseguenza del trasporto a lunghe distanze di ossidi di zolfo e azoto emessi da camini di impianti industriali e centrali termoelettriche. Questi composti reagiscono con l'acqua e l'ossigeno presenti nell'atmosfera producendo acido solforico e nitrico, e piogge acide con valori del pH fino a 2.
Infine, su scala planetaria, vi sono i problemi dell'effetto serra e dell'assottigliarsi della fascia di ozono (O3) presente nella stratosfera. L'effetto serra è dovuto all'accumularsi nell'atmosfera di gas che assorbono il calore che la terra riceve dal sole e irradia verso lo spazio, per poi riemetterlo verso la superficie. Questo processo porta a un innalzamento della temperatura media della terra e a variazioni del suo clima.
La distruzione dell'ozono stratosferico, che filtra radiazioni altamente energetiche provenienti dal sole e dannose per la vita sulla terra, è dovuta all'immissione nell'atmosfera di clorofluorocarburi.
L'analisi dell'impatto sulla qualità dell'aria è composta da vari fattori, che vanno integrati tra loro per ottimizzare le strategie di intervento e/o di prevenzione in termini di costi e benefici ambientali, ma anche tecnici e sociali.
Protezione delle risorse idriche
Se il trasporto di grandi quantità d'acqua è problema già presente nelle civiltà antiche, il concetto di salvaguardia della qualità e salubrità dell'acqua risale solo al secolo scorso.
La trasmissione di malattie per mezzo dell'acqua è problema ancora presente in alcuni paesi del Terzo Mondo, ma è praticamente scomparso nei paesi più sviluppati. In questi ultimi la salubrità delle risorse idriche consiste essenzialmente nel proteggerle da una serie di carichi inquinanti che provengono da fonti puntiformi ben localizzate (urbane e industriali) e da fonti diffuse (agricoltura, smaltimento incontrollato di rifiuti).
Tali carichi inquinanti possono consistere in: carichi di sostanze organiche biodegradabili, di sostanze eutrofizzanti o di sostanze tossiche (metalli pesanti e sostanze organiche di sintesi); carichi microbici; residui dell'uso di fitofarmaci.
Il controllo delle emissioni di inquinanti da sorgenti puntiformi o comunque ben localizzate è possibile per mezzo di appositi impianti di depurazione delle acque. Questi ultimi, quando in funzione e se ben progettati e operanti, permettono di eliminare o comunque portare a livelli accettabili praticamente ogni tipo d'inquinante.
Ben più problematico da un punto di vista tecnico è il controllo dell'inquinamento delle risorse idriche dovuto a sorgenti diffuse. Queste ultime, dette anche sorgenti non-puntiformi, generano inquinanti durante il processo di scorrimento delle acque superficiali (runoff). In questo processo gli inquinanti vengono erosi o dilavati da vaste aree e trasportati verso corsi d'acqua superficiali o falde sotterranee. L'urbanizzazione, l'agricoltura, la silvicoltura sono esempi di attività antropogeniche che causano inquinamento di questo tipo.
Trattamento delle acque
Quasi tutte le fonti di acqua per usi civili, agricoli o industriali richiedono delle forme di trattamento prima della loro distribuzione all'utente. Questo è particolarmente vero per le acque superficiali. Anche se spesso si associa il trattamento delle acque alla produzione di acqua potabile, questo ramo dell'i.a. riguarda una gamma di situazioni molto più ampia.
Tabella: Stima dei carichi inquinanti ricevuti dai principali fiumi italiani
(Nota: La tabella non è fornita nel testo originale, quindi non può essere inclusa.)
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