Monitoraggio THM in acqua potabile

THM: Un'introduzione

L'insieme dei composti che si formano durante il processo di disinfezione dell'acqua” viene collettivamente definito “sottoprodotti della disinfezione” (DBP). I trialometani (THM) sono sottoprodotti della disinfezione che si formano quando il cloro (o un prodotto a base di cloro) viene utilizzato come disinfettante. I THM che si trovano comunemente nell'acqua per il consumo umano sono cloroformio, bromodicloro-metano (BDCM), dibromoclorometano (DBCM) e bromoformio , dei quali il cloroformio di solito è il componente principale.

Molti trialometani sono considerati pericolosi per la salute e sospettati di essere cancerogeni. La direttiva sull'acqua potabile della Comunità europea stabilisce che l'acqua utilizzata per il consumo umano non debba superare i 100 µg/l di THM totali e le normative statunitensi stabiliscono un livello massimo di 80 µg/l di trialometani totali .

Cloro e THM

Il cloro è uno dei disinfettanti più comunemente usato al mondo: storicamente è stato usato da oltre 100 anni. È facile da produrre e conservare e nell'acqua dopo la disinfezione rimane un livello di cloro tale da prolungare la disinfezione all'interno della rete di distribuzione fino a che non raggiunge il rubinetto.

Uno dei principali vantaggi della clorazione dell'acqua è la riduzione drastica dell'incidenza di malattie batteriche, virali e parassitarie. Il principale svantaggio della disinfezione con cloro è la potenziale formazione di THM. Altri metodi di disinfezione come l'ozono o i raggi UV non presentano questo problema ma sono molto più costosi da implementare e da utilizzare, quindi sono meno comunemente utilizzati in impianti di grosse dimensioni.

THM in acqua: il quadro completo

I Trialometani vengono generati durante la disinfezione dell'acqua, attraverso la reazione del cloro (o biossido di cloro / ipoclorito) con le sostanze organiche naturali (NOM) presente nell'acqua, come acido umico e acido fulvico. La concentrazione dei THM nell'acqua dipenderà da quantità di cloro presente, tempo di contatto del cloro con la materia organica, quantità di sostanza organica, concentrazione di bromuri nell'acqua, pH e temperatura.

I “precursori dei THM” sono sostanze organiche disciolte, presenti naturalmente in acqua, che comprendono una miscela eterogenea di composti generati dalla degradazione di materiali organici (piante, batteri ecc.). Si è scoperto che i precursori dei THM sono quelle sostanze contenenti strutture aromatiche. Tuttavia il quadro della previsione della formazione dei THM è complicata da fattori aggiuntivi come:

  1. Le caratteristiche chimiche distintive associate alle origini
    Il cloroformio è il componente più abbondante ed è di solito il principale sottoprodotto della disinfezione che si trova nell'acqua clorata. Ciò è dovuto principalmente al fatto che la maggior parte delle fonti d'acqua non contengono quantità significative di specie bromurate.
  2. Dipendenze stagionali connesse ai cicli vitali della flora
  3. Dipendenza dal tempo di residenza.
    Ad esempio, durante la "prima pioggia", moltissime sostanze organiche che si sono accumulate nel terreno vengono scaricate nel fiume. Questo porta a livelli più alti di THM. Inoltre è maggiore il tempo che il cloro ha per interagire con i prodotti organici, determinando modelli di domanda che influenzano i livelli di THM.
  4. Processi idrologici e biogeochimici

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Studi sui THM e sui rischi per la salute pubblica

Gli studi sulla formazione di trialometani come conseguenza dell'aggiunta di cloro all'acqua furono condotti per la prima volta negli Stati Uniti negli anni '70. A tale scopo sono state utilizzate procedure basate sulla gascromatografia e spettrometria di massa. Gli studi epidemiologici associano l'esposizione ai sottoprodotti della disinfezione, principalmente THM , con effetti sulla salute come cancro alla vescica e alcuni difetti alla nascita nei neonati di madri esposte.

Gli studi sul cancro alla vescica hanno riscontrato un aumento del rischio con lunghe esposizioni ai THM (oltre 30 anni). L'EPA statunitense classifica il cloroformio ed il bromoformio come probabili agenti cancerogeni e il dibromoclorometano come possibile cancerogeno per l'uomo in determinate condizioni di esposizione. Questo perchè, sebbene vi siano indicazioni di cancerogenicità negli animali da esperimento, le prove sono limitate per l'uomo.

Secondo l'Organizzazione mondiale della sanità (OMS), i potenziali rischi presentati dai THM sono notevolmente compensati dai pericoli derivanti dalla mancata clorazione dell'approvvigionamento idrico. Il rischio rappresentato dai THM è considerato a lungo termine, poiché richiederebbe il consumo di acqua contaminata per lunghi periodi nel corso della vita, come nel caso della maggior parte dei prodotti cancerogeni, per creare problemi. Secondo l'OMS, l'esposizione a queste sostanze comporta un rischio di cancro di 10-5 , cioè un caso di cancro per 100.000 persone che consumano acqua in un periodo minimo di 70 anni. Nel caso dell'Unione Europea, il rischio è considerato 10-6 .

In alternativa, alcuni paesi sviluppati utilizzano il clorito di sodio in sostituzione dell'ipoclorito di sodio, evitando così la produzione di THM nella sanificazione dell'acqua.

Modalità di esposizione ai Trialometani

I THM possono essere assunti dal corpo umano attraverso diverse vie: ingestione di acqua di rubinetto, inalazione di THM evaporati e assorbimento cutaneo . Molte attività quotidiane come il consumo di acqua, il bagno o la doccia e il nuoto in piscina possono anche contribuire all'esposizione ai THM totali.

Normative e limiti vigenti (15/11/2019)

L'OMS fornisce i valori guida raccomandati per le concentrazioni massime individuali di ciascuno dei THM nell’acqua destinata al consumo umano. I valori guida rappresentano la concentrazione limite di un composto che non comporta alcun rischio significativo per la salute per il consumo durante tutta la vita. Questi valori guida sono:

  • Cloroformio: 300 μg / l
  • Bromodiclorometano (BDCM): 60 μg / l
  • Dibromoclorometano (DBCM): 100 μg / l
  • Bromoformio: 100 μg / l

Secondo l'OMS, il calcolo della tossicità combinata di tutti i THM può essere ottenuto utilizzando la seguente equazione:

THM: stato attuale della tecnologia di monitoraggio

Il livello di consapevolezza e sofisticazione del controllo e delle tecnologie di monitoraggio per i THM nell'acqua potabile varia significativamente nel mondo, nonostante il rafforzamento delle normative a livello globale. In alcuni paesi i THM non sono considerati un problema importante (o neppure conosciuto in certi casi).

Molti altri impianti di trattamento delle acque si basano su un'analisi di laboratorio biennale o mensile dei livelli di THM. Questo di solito consiste nel campionare l'acqua, trasportarla in un laboratorio e analizzarla usando tecniche di gas cromatografia / spettroscopia di massa (GCMS). Il tempo necessario per questo approccio può arrivare fino a due settimane .

Quando i livelli di THM sono costantemente e storicamente bassi (es. < 10 ppb di THM totali) questo approccio è generalmente ritenuto sufficiente per conformarsi alle normative vigenti. Tuttavia questo approccio significa che gli operatori fanno affidamento su di un tcampione limitato t per determinare i livelli complessivi. È estremamente improbabile che un campionamento estemporaneo ogni mese o sei mesi sia rappresentativo della situazione generale.

Infine ci sono impianti/aree geografiche in cui, a causa delle caratteristiche dell'acqua, i THM rappresentano un problema significativo e devono essere monitorati attentamente. In queste applicazioni è molto importante trovare un equilibrio tra l'accuratezza del sistema, il costo di acquisto, i costi di gestione e la facilità d'uso. Di solito questo accade quando i THM totali sono in media intorno a 30 ppb: c'è sempre il rischio che i TMH superino il limite di 80 - 100 ppb ed è nell'interesse del gestore della rete mantenere i livelli più bassi possibile.

Analizzando gli orientamenti internazionali, la regolamentazione delle concentrazioni di THM probabilmente diventerà più severa in futuro. Mentre 100 ppb è oggi al limite dell'accettabilità (2019), in molte parti del mondo (almeno dal punto di vista legislativo), è molto probabile che tra qualche anno, legislatori e consumatori si aspetteranno standard di qualità dell'acqua molto più elevati e concentrazioni decisamente più basse.

Numerose tecnologie sono disponibili sul mercato per l'analisi dei THM . Ogni sistema ha punti di forza e di debolezza e bisognerebbe fare particolarmente attenzione ai seguenti criteri prima di acquistare uno strumento:

  • Operazione
  • Costo di gestione
  • Facilità di utilizzo
  • Precisione e affidabilità della misurazione
  • Tempo di misura
  • Ecc.

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Trappola/Spurgo con tecnica colorimetrica

Questo è un sistema in linea che può dare una lettura ogni 4 ore o più.

Con questa tecnologia lo strumento estrae i THM dal campione d'acqua mediante T/S su un materiale adsorbente e i THM concentrati vengono successivamente desorbiti in una miscela di reagente proprietaria che genera un prodotto colorato.

A causa del costo dei reagenti, il sistema è molto costoso da gestire (decine di migliaia di euro all'anno per i reagenti) e di solito non è possibile effettuare una misurazione ogni ora. Inoltre gli strumenti che adottano questo metodo hanno una complessità intrinseca e molti componenti diversi, il che può portare a riparazioni costose e problemi di esercizio .

Trappola/Spurgo - Gascromatografia - Rivelatore di onde acustiche di superficie

Questo è una tecnologia di laboratorio che è stata adattata per l'applicazione in situ.

Lo strumento è costituito da un sistema integrato di spurgo e trappola collegato ad una colonna per gascromatografia compatta e un rivelatore di onde acustiche di superficie (SAW). Il sistema richiede come gas reagente l’elio, una taratura manuale esterna e deve essere gestito da tecnici qualificati .

Inoltre, a causa della natura della tecnologia, è impossibile utilizzarlo per misurazioni in linea: l'operatore dovrà recarsi sul posto, prelevare un campione e attendere 30 minuti per avere il risultato.

Permeazione di membrana - Gascromatografia - Rivelatore di cattura elettronica

Questa è una tecnologia sperimentale, non ancora ampiamente accettata nell'industria

In questo tipo di sistema, i THM vengono estratti da un campione d'acqua con un gas di trasporto. Ciò si ottiene forzando l'acqua attraverso una membrana permeabile, quindi adsorbendo i THM su una trappola, seguita da separazioni su una colonna GC. Infine, i trialometani vengono misurati da un rilevatore a cattura elettronica. L'uso di un gascromatografo per il monitoraggio in linea genera problemi di stabilità come tempi di ritenzione, calibrazione e validazione del sistema.

L'estrazione attraverso una membrana semipermeabile ha un impatto enorme sulla matrice del campione, tra cui forza ionica, pH e temperatura. Lo sporcamento è un problema che potrebbe sorgere in questo tipo di strumenti. L'uso dell'elemento radioattivo Ni63 nel rivelatore non è desiderabile e un tale sistema richiederebbe un gas di trasporto e sarebbe abbastanza costoso .

Rivelatore di fluorescenza con permeazione di membrana e reazione chimica:

Questo è una tecnologia sperimentale, non ampiamente accettata nel settore.

In questo metodo, i trialometani migrano dall'acqua verso una miscela di reazione chimica attraverso una membrana semipermeabile, in un flusso continuo di reagenti, seguita dalla misurazione della fluorescenza generata dalla reazione dei THM con nicotinammide alcalina. Questo metodo richiede molti reagenti. L'estrazione attraverso una membrana semipermeabile ha un impatto enorme sulla matrice del campione, tra cui forza ionica, pH e temperatura. Anche lo sporcamento è un problema che potrebbe sorgere in questo tipo di sistemi.

Gascromatografo di processo (GC) con TID (rivelatore a ionizzazione termica) e PID (rivelatore a ionizzazione fotografica)

Questo sistema è un gascromatografo di processo tradizionale con tecnologia TID e PID. Questa tecnologia è abbastanza accurata e consente la speciazione. Data la complessità dello strumento, richiede costi di acquisto elevati e frequenti tarature (una volta al mese). Inoltre, per funzionare, è necessaria una fonte di aria compressa per non parlare del tecnico specializzato nella gestione dello strumento.

Naso elettronico

La tecnologia del naso elettronica funzione mediante l’analisi della fase gas nello spazio di testa in un serbatoio di campionamento e il passaggio di questi gas sui sensori elettronici per misurare il livello di THM. Questo è il principio del Multisensor Systems MS2000.

Il vantaggio della tecnologia del naso elettronico è che si presta al funzionamento in continuo, è robusta in un’ampia varietà di condizioni e non utilizza alcun reagente. La modalità di analisi del campione inoltre rende il problema delle incrostazioni e dello sporcamento trascurabili : essendo una tecnica senza contatto, la pulizia dei sensori non è necessaria.

Essendo una tecnica senza contatto, la pulizia dei sensori non è necessaria.

Principio di funzionamento

Il principio di funzionamento dell'analizzatore di trialometani si basa sul’analisi dei gas nello spazio di testa di un serbatoio di campionamento contenente l'acqua di cui si vuole misurare il contenuto di TTHM.

Seguendo la Legge di Henry la concentrazione dei vapori di trialometani nello spazio di testa è proporzionale alla loro concentrazione nell'acqua.

La taratura dello strumento viene eseguita presentando una concentrazione nota ai sensori e generando dei coefficienti di calibrazione dalle risposte ottenute.

Durante il funzionamento del MS2000 si fa passare l'acqua attraverso un serbatoio di campionamento come mostrato di seguito. I componenti volatili nell'acqua passeranno in fase gassosa nello spazio di testa al di sopra dell'acqua dove saranno intrappolati. Ciò continuerà fino al raggiungimento dell'equilibrio.

Un campione di gas nello spazio di testa viene quindi fatto passare attraverso i sensori nella testina del naso elettronico che risponde alla concentrazione dei THM nello spazio di testa. Questa risposta viene quindi analizzata dallo strumento e viene generato un valore di concentrazione basato sulla relazione tra la concentrazione presente nello spazio di testa e quella nell'acqua.

Conclusione

Il monitoraggio dei THM nell'acqua potabile sta diventando sempre più importante a livello globale con l'aumentare degli standard di qualità richiesta all’acqua potabile. Il monitoraggio dei THM non può essere lasciato come un "incombenza normativa” ed è fondamentale per mantenere la fiducia del pubblico nelle aziende di distribuzione acqua potabile.

Ci sono molte considerazioni nel decidere la tecnica di analisi THM da usare. Esistono approcci diversi con risultati diversi in termini di prezzo, costi di gestione, prestazioni e affidabilità.

La tecnologia del naso elettronico si è affermata come un metodo economicamente conveniente per monitorare i THM se confrontata con tecniche alternative e sta guadagnando una crescente fiducia sul mercato.

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