Anno 14
Nr.1 Aprile   2001

Tecnologia & Analisi delle Acque

La Torbidità nelle acque potabili

Come misurare questo parametro fisico? Alcuni approcci e metodi innovativi, proposti da un costruttore che, recentemente, ha lanciato sul mercato uno strumento contraddistinto da efficacia e affidabilità

Maurizio Chioetto


La torbidità è uno dei parametri fisici più importanti utilizzati per la conoscenza della qualità delle acque destinate all’uso potabile.
Questa misura va ad aggiungersi, oltre al campionamento delle acque grezze, alle analisi dei parametri chimici on line.
Di norma le acque limpide, prive di qualunque tono di colore, vengono considerate idonee all’uso potabile e di ottima qualità. In effetti è stato scientificamente dimostrato che esiste una diretta correlazione tra la presenza di sostanze patogene e l’eventuale particolato presente nelle acque.
Come diretta conseguenza, nella maggior parte dei paesi europei sono stati stabiliti limiti di accettabilità per le acque destinate all’uso potabile con valori di torbidità compresi tra 1 e  4 FNU (Formazine Nephelometric Units ).
Inoltre, la misura della torbidità viene usata come parametro analitico nel corso dei vari stadi del trattamento di potabilizzazione, per monitorarne l’efficienza.
I vari punti di misura della torbidità che oggi si possono avere nei moderni impianti di potabilizzazione sono: la valutazione della qualità delle acque grezze per decidere immediatamente il tipo di trattamento che devono subire, il controllo dello stadio di flocculazione e il monitoraggio delle operazioni di filtrazione, sino alla misura della qualità dell’acqua alla fine del trattamento prima della sua immissione nella rete di distribuzione. In questo articolo vengono esaminati i vari aspetti della misura della torbidità, discusse le caratteristiche che deve avere un analizzatore moderno e viene presentata una strumentazione innovativa espressamente studiata per l’utilizzo con acque potabili e caratterizzata da una manutenzione minima.

La misura della torbidità

La misura di tale parametro nel trattamento di potabilizzazione, per controllare la qualità delle acque prima della distribuzione, deve essere effettuata secondo le norme International Standard ISO 7027. Questi standard sono stati pubblicati dalle commissioni ISO per uniformare il metodo della misura tra i vari strumenti analitici disponibili e avere la possibilità di confrontare diverse tecniche analitiche strumentali. Secondo le norme suddette, la misura della torbidità nelle acque ad uso potabile deve essere effettuata utilizzando la determinazione con scattering di luce a 90° e ad una lunghezza d’onda di 860 nm (v. figura 1). La calibrazione degli strumenti analitici deve essere effettuata impiegando formazina, cioè una sospensione di particelle molto fini, ed esprimendo il valore letto in unità FNU.

Fig. 1 - Il principio di misura della torbidità secondo le norme ISO 7027 con scattering di luce a 90°

L’intensità della luce che viene diffusa dipende dalla concentrazione delle particelle presenti nel campione (vale a dire esattamente il parametro che si cerca di misurare tramite le unità di torbidità), dall’angolo di rilevamento della luce e dalla lunghezza d’onda, ma anche dalle caratteristiche individuali delle singole particelle presenti, quali dimensione, forma, colore e indice di rifrazione.
A causa di questo ultimo parametro, la lettura da parte dei vari analizzatori costruiti secondo quanto previsto dalle ISO 7027 è completamente equivalente solo quando la misura viene effettuata con soluzione standard di formazina.
Tuttavia, quando si analizza un campione reale nel quale sono presenti particelle differenti tra loro (alghe, sabbia e agglomerati di particelle provenienti dal trattamento di flocculazione), la misura effettuata con strumenti diversi può fornire risultati differenti, a seconda della costruzione e del disegno del sistema ottico utilizzato dalle singole apparecchiature. In ogni caso, tale diversità è accettabile secondo le norme.
Quando gli strumenti non sono realizzati in accordo alle ISO 7027 (per esempio con una lunghezza d’onda o un angolo di rilevazione della luce diffusa diversi) le misure possono differire tra loro di un fattore due o più.

  Torbidimetri
La maggior parte dei torbidimetri utilizzati per la determinazione delle acque destinate all’uso potabile utilizza celle di misura chiuse. Il campione in analisi attraversa la cella ad una portata costante (normalmente da 0,2 a 20 l/min) e i vari raggi di luce impiegati per effettuare la misura entrano ed escono dalla cella attraverso finestre ottiche.
In questo caso occorre utilizzare opportuni  accorgimenti tecnici per compensare  l’eventuale opacizzazione delle finestre. Gli accorgimenti tecnici adottati dai costruttori sono diversi tra loro e idonei a varie applicazioni. Tra gli altri, vale la pena di ricordare i seguenti:

- impiego di un secondo raggio di luce, usato come riferimento, in modo da eliminare parzialmente e quando possibile, l’influenza della variazione nella trasparenza della finestra della cella;

- dotare il sistema ottico di alcuni sistemi meccanici per effettuare una parziale pulizia, tergendo la superfice della cella di misura. L’uso di questo sistema risulta vantaggioso soprattutto quando si analizza un campione sotto pressione;

In alternativa è possibile avere strumenti muniti di un sistema ottico costruito come una sonda, che viene immersa nel liquido in analisi. Normalmente questa soluzione ottica viene utilizzata nella misura delle acque di scarico con sonde sia immerse nelle vasche sia inserite nella tubazione ove scorre il campione.
Con tale configurazione ottica i risultati analitici sono simili e comparabili a quelli ottenuti agli analizzatori a cella di campionamento.
Inoltre, sono disponibili analizzatori che adottano la tecnica della riflessione della luce direttamente sulla superfice a pelo liquido dell’acqua o attraverso una colonna di acqua a caduta libera. Questa configurazione consente di evitare il contatto del campione con una componente ottica e quindi qualunque interferenza indiretta. Ancora recentemente questo tipo di strumentazione non poteva essere impiegata per la misura di torbidità molto basse oppure non era costruita secondo quanto richiesto dalle Standard ISO 7027.

  La misura della torbidità nei processi di potabilizzazione
La figura 2 mostra uno schema generale di funzionamento di un processo di potabilizzazione delle acque dove sono indicati i punti in cui è possibile e utile effettuare la misura della torbidità.
Seguendo lo schema dell’impianto si possono notare gli stadi seguenti:
- acque grezze; la misura della torbidità può essere utilizzata per iniziare la flocculazione o per chiudere la valvola d’ingresso;
- monitoraggio della fase di flocculazione per ottimizzarne il funzionamento;
- controllo del controlavaggio dei filtri: l’uso della misura della torbidità per questa applicazione consente di ottenere un notevole risparmio d’ acqua pulita utilizzata nel controlavaggio e di ottimizzare i tempi di controllo;
- monitoraggio e controllo degli stadi di filtrazione;
- misura della qualità delle acque potabili trattate prima dell’immissione in rete.

 Figura 2 - Schema di un impianto di trattamento delle acque potabili e i vari punti di misura della torbidità

Per un monitoraggio delle acque al passo con i tempi

Dopo la scoperta, dal 1984, di diverse epidemie di cryptosporidiosi dovute all’acqua, si è cominciato a porre maggiore attenzione all’ analisi della qualità delle acque potabili e alla reale efficienza dei sistemi di trattamento.
E’ opinione generalmente accettata che l’inquinamento ad opera di Cryptosporidia e Giardia può essere tenuto seriamente sotto controllo solo tramite un sistema di filrazione efficiente, minimizzando quanto più possibile la presenza di particelle presenti nell’acqua potabile. La riduzione del particolato permette di effettuare una disinfezione efficace mediante radiazione UV o addizione di cloro, poiché i batteri non sono più protetti dalla presenza di agglomerati di particelle.
Grazie a queste considerazioni, le recenti linee guida per la potabilizzazione considerano accettabile il limite di 0,1 FNU per le acque grezze destinate all’uso potabile.
Oggi, con trattamenti di filtrazione efficaci e ben costruiti, solitamente costituiti da sistemi di filtrazione lenta su sabbia, si riesce ad ottenere acqua con valori di torbidità compresi tra 0,015 e 0,03 FNU.
E’ pertanto indispensabile un analizzatore di torbidità che sia in grado di analizzare con accuratezza almeno valori di 0,005 FNU - con una risoluzione di 0,001 FNU - e quindi capace di fornire un segnale sull’eventuale presenza di “batteri viventi” con sufficiente affidabilità.
Oltre alla reliability della tecnica di misura, è fondamentale - per la scelta di uno strumento idoneo a questa applicazione in un impianto di potabilizzazioni -  il basso costo di esercizio e la facilità di installazione e impiego.
Attualmente, sia nei processi produttivi che nella produzione di acqua potabile, i vari standard di qualità e di validazione del dato analitico, richiedono come caratteristica principale della strumentazione, oltre alla precisione, una manutenzione ridotta, per rispondere alle esigenze degli utilizzatori.
Questa caratteristica è ancora più richiesta, in particolare, dai piccoli e medi impianti di potabilizzazione, in quanto spesso funzionano in modo altamente automatizzato, con la presenza di uno o due operatori al massimo, non necessariamente strumentisti. Una manutenzione minima, a lunghi intervalli nel tempo, riveste importanza analoga a quella della precisione.

Una tecnologia avanzata

La svizzera Sigrist, specializzata nella costruzione di strumentazione analitica fotometrica, ha studiato negli ultimi due anni un torbidimetro, del tutto diverso dai propri realizzati precedentemente e da altri disponibili sul mercato, ponendosi come obiettivo primario la stretta osservanza delle ISO 7027, vale a dire – in concreto – un’elevata precisione e minima manutenzione.
Il risultato della ricerca suddetta è il torbidimetro WTM500, che presenta le caratteristiche seguenti:
- misura effettuata su un flusso d’acqua a caduta libera e con riflessione della luce a 90° in accordo alle ISO 7027 / EN 27027;
- calibrazione automatica in unità formazina mediante un sistema interno integrato di riferimento secondario.

La figura 3 mostra, in dettaglio, il principio di funzionamento dello strumento.
Il campione di acqua in analisi viene inviato allo strumento e passa attraverso un sistema di alimentazione idrodinamico ottimizzato per l’uso previsto.

Figura 3 - Schema del torbidimetro  WTM500

Il recipiente di alimentazione (B) garantisce di avere il campione d’acqua ad una pressione costante, che fluisce attraverso la connessione (C) posta sul fondo del recipiente in un flusso di acqua, a colonna, a caduta libera. Eventuali bollicine d’aria presenti nell’acqua in analisi, vengono eliminate nel recipiente di alimentazione, non causando quindi alcuna interferenza nella misura
Il raggio di luce proveniente da una sorgente LED infrarossa a 880 nm (D) penetra attraverso la superfice dell’acqua dal recipiente di alimentazione e attraversa coassialmente la colonna dl flusso d’acqua.
Due fotodetector (E,F) misurano l’intensità della luce  riflessa a 90° in due diverse posizioni. Tale configurazione consente di compensare l’eventuale presenza di colore che può estinguere la luce a questa lunghezza d’onda.

  Flusso di acqua a caduta libera
 
La misura mediante un flusso di acqua - a colonna, a caduta libera - illuminato dall’alto dalla luce, risulta essere in grado di fornire uno dei sistemi analitici più accurati e precisi per la misura della torbidità secondo le ISO 7027, per un ampio range di misura e varie applicazioni.
Questi sistemi analitici misurano con precisione sia la torbidità a valori estremamente bassi, dal minimo rilevabile (ad opera della diffusione della luce proveniente da agglomerati molecolari aventi diversi indici di rifrazione e indipendentemente dalla sorgente di luce) di 0,008 FNU sino a valori massimi di 500 FNU, tipici delle acque grezze inquinate.
Inoltre, viene completamente eliminata l’interferenza causata dallo sporcamento delle celle di misura, che in altri sistemi è presente per motivi fisici e chimici sulle parti ottiche. In questi ultimi, con finestre a contatto dell’acqua, i depositi di ferro o manganese, solitamente difficili da pulire con i normali sistemi di pulizia, costituiscono la maggiore causa dello sporcamento delle celle.
Il sistema analitico utilizzato dai torbidimetri con flusso di acqua a colonna, a caduta libera, se comparato a quelli con  riflessione di luce sulla superfice (surface scattering), presenta il vantaggio di essere molto meno sensibile alle variazioni di portata derivanti dalle diversa prevalenza idraulica causata dal livello nel recipiente di alimentazione. Inoltre, la misura non è influenzata dall’eventuale presenza di schiume o di sostanze leggere contenute nel campione.
Il disegno costruttivo del recipiente di alimentazione è stato ottimizzato in modo tale da garantire un flusso costante della colonna di acqua, anche in presenza di eventuali inquinamenti che si accumulano nel recipiente e per fluttuazioni di pressione moderate.
Le migliori condizioni di esercizio sono ottenute da una portata mantenuta costante tra 3,2 e 4 l/min.

Calibrazione dello strumento e accuratezza nella misura
Il torbidimetro del suddetto costruttore svizzero viene calibrato in fabbrica con la formazina, esattamente come richiesto dalle ISO 7027. Allo scopo di evitare di utilizzare sospensioni standard di formazina sul luogo di installazione dello strumento, con le difficoltà di preparazione e gestione delle sospensioni, per effettuare i normali controlli della calibrazione ed eventuale ricalibrazione, l’analizzatore è stato dotato di uno standard di riferimento solido in vetro, in grado di fornire una lettura di torbidità nota.
Ad intervalli programmabili a piacere, di solito ogni 24 ore, il sistema ottico effettua una misura passando dal flusso di acqua a caduta libera allo stato solido di riferimento e controllla il valore letto dallo strumento. Se viene rilevata una differenza di misura dello standard impostato, lo strumento effettua automaticamente un’autocalibrazione.
In tal modo le eventuali variazioni di misura derivanti dal sistema ottico o elettronico sono automaticamente sempre compensate per l’intera vita dell’analizzatore.
Contemporaneamente, grazie al fotodiodo di riferimento che effettua la misura dell’intensità di luce emessa, si compensano eventuali piccole fluttuazioni della sorgente luminosa a LED, così come derive causate dalle variazioni di temperatura.
Un ulteriore fattore da considerare è l’elevata precisione nella misura del minimo valore di torbidità. Diversamente da altri strumenti analitici che effettuano una compensazione della luce indiretta letta dal detector, sottraendo alla misura fatta un valore fisso, nel torbidimetro WTM500 la presenza di luce parassita è stata ridotta ad un valore minimo grazie alla particolare costruzione del sistema ottico.
Mediante una netta separazione tra la sorgente luminosa, centri di diffusione della luce come quelli costituiti dalla superfice dell’acqua e i detector, si fa in modo che l’intensità della luce parassita venga ridotta sino ad un’interferenza < 0,001 FNU, senza alcuna correzione mediante calcolo.
Ciò è verificabile effettuando una misura senza attivare il flusso d’acqua. Misure in parallelo, condotte in diversi laboratori di validazione, con strumentazione differente, ma sugli stessi campioni, hanno dimostrato che il valore della torbidità letta dallo strumento rimane entro una variazione del 5% del valore misurato. Ad esemmpio, misurando valori di 0,05 FNU, l’accuratezza è uguale o maggiore di 0,0025 e la risoluzione della misura effettuata è di 0,001 FNU.

  Unità di controllo
L’unità di controllo Sirel a microprocessore, utilizzata dal torbidimetro, è stata espressamente sviluppata per mantenere la precisione e praticità d’uso analoga a quella del sensore.
L’analizzatore è facile da impiegare e da programmare grazie a un display a cristalli liquidi di agevole lettura, un menu di programmazione semplice e completo, nonché una tastiera a soli cinque tasti.
Messaggi di errore molto chiari e informazione esaustive sullo stato di funzionamento della strumentazione consentono di risolvere facilmente eventuali problemi.
L’unità di controllo è collegata al sensore ottico tramite una interfaccia RS485 e lo scambio di dati avviene in modo digitale. E’ pertanto possibile posizionare le due unità anche a distanze di circa 100 m oppure collegare il sistema ad un PC tramite apposito software.

  Applicazioni
Grazie al campo di misura esteso - dai valori minimi misurabili visti precedentemente a quello massimo di 500 FNU - il torbidimetro è utilizzabile in tutte le fasi del ciclo di trattamento dell’acqua destinata all’uso potabile. Il poter impiegare un solo tipo di strumento per le diverse applicazioni permette, inoltre, di razionalizzare la scorta di parti di ricambio e di consentirne l’intercambiabilità tra i vari strumenti.
Dal momento della presentazione sul mercato (all’inizio del ‘98), il torbidimetro descritto nell’articolo è stato utilizzato con successo in numerose e diversificate applicazioni. Le figure 4 e 5 ne mostrano due, tipiche, nel trattamento delle acque potabili.
In un caso, la misura della torbidità è effettuata in acqua di fiume grezza che viene sottoposta a flocculazione e ozonizzazione. Dopo il primo trattamento l’acqua ha una torbidità di circa 1 FNU, principalmente dovuta ai fiocchi in eccesso ancora contenuti nella vasca di flocculazione. In tale tipo di acque - sopratutto nella stagione estiva - si registra la presenza di alghe.
Nella figura 4 sono rilevabili le misure di torbidità effettuate in due giorni con molto sole e temperatura > 20°C, quando una crescita significativa delle alghe durante il giorno, ha causato un aumento di torbidità misurato dal sistema

 Fig. 4 - Misura della torbidità in acqua grezza dopo flocculazione

Nell’effettuare tali misure è stato possible osservare i vantaggi della minima manutenzione richiesta dal torbidimetro. Infatti, malgrado le tubazioni e il recipiente di alimentazione dello strumento - dopo circa 8 settimane di funzionamento continuo - fossero ricoperti da un sottile film di fanghiglia ferrosa (proveniente dalla flocculazione e dalle alghe, inclusa l’eventuale schiuma provocata dalle alghe stesse) non si è notata alcuna interferenza nella misura. Inoltre, non essendoci finestre a contatto con il campione, non si deve effettuare alcuna pulizia chimica del sistema ottico, anche in presenza di sali di ferro.

Nel secondo test, riportato dalla figura 5, il torbidimetro è stato installato dopo un impianto di filtrazione lenta su sabbia. Per verificare l’efficacia del sistema analitico, è stato posizionato in parallelo un secondo torbidimetro tradizionale con cella a deflusso. I valori di torbidità misurati si sono aggirati su 0,04 - 0,05 FNU. La misura condotta con il modello WTM500 fornisce un valore costantemente inferiore grazie all’ assenza di luce indiretta di fondo. In altre situazioni analoghe il torbidimetro è stato in grado di misurare concentrazioni sino a valori reali di 0,015 FNU.

Fig. 5 - Misura della torbidità nella fase finale dopo filtrazione lenta su sabbia

Conclusioni
Dopo il primo anno di utilizzo in applicazioni significative, il torbidimetro WTM500 ha dimostrato di effettuare con accuratezza le misure nel modo previsto e di essere il capostipite di un’avanzata generazione di strumenti idonei alla misura di più che basse concentrazioni di torbidità nelle acque potabili e ultrapure per valori inferiori a 0,1 FNU.
Contemporaneamente, la minima manutenzione che necessita nell’utilizzo on-line, l’autocalibrazione e la misura effettuata senza alcun contatto delle parti ottiche con l’acqua in analisi, consentono una validazione efficace del dato analitico, ma anche un minimo costo gestionale nel tempo, rispondendo alle aspettative del mercato.


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