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.
Anno 14