Applicazioni e soluzioni - Acqua potabile

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1 Descrizione relativa all’impiego

1.1 Introduzione

L’acqua potabile è la nostra risorsa alimentare più importante ed è di vitale rilevanza per ogni individuo. Per assicurare una quantità sufficiente e una qualità ottimale dell’acqua potabile occorre prestare la massima attenzione sia all’acqua in quanto risorsa sia alla posa degli impianti di acqua potabile e ai materiali impiegati.

Il presente documento fornisce una panoramica sulle proprietà specifiche dell’acqua, sulle basi normative dell’approvvigionamento di acqua potabile e sulle soluzioni offerte dalla R. Nussbaum SA in questo ambito.

1.2 L’acqua – una molecola straordinaria

In condizioni normali, come mostrato nel diagramma di fase, l’acqua è un liquido. È l’unica sostanza conosciuta a essere presente sulla superficie terrestre, in quantità rilevanti, in tutti i tre classici stati di aggregazione, vale a dire in forma liquida, solida e gassosa.

Punto triplo	=	Il punto in cui tutte le tre fasi sono in equilibrio.
Punto critico	=	Il punto in cui le differenze tra i due stati di aggregazione liquido e gassoso cessano di esistere. Nel diagramma di fase, il punto rappresenta l’estremità superiore della curva di pressione del vapore.

L’acqua costituisce l’habitat di molti organismi e il solvente per innumerevoli composti quali acidi, basi o sali. In natura svolge pertanto la funzione di mezzo di trasporto ma è, di per sé, anche una sostanza di partenza per moltissime reazioni chimiche, ad esempio la fotosintesi. L’acqua è una sostanza dalle diverse proprietà particolari, la cui coesistenza ha contribuito a rendere possibile la vita sulla Terra.

In ragione dei suoi legami chimici, l’acqua offre una serie di proprietà uniche nel loro genere. Al contrario di quasi tutte le altre sostanze, l’acqua allo stato liquido presenta una densità maggiore rispetto allo stato solido. L’acqua raggiunge inoltre la propria densità massima non nel punto di fusione a 0 °C bensì solo a 4 °C. In natura ciò fa sì che, tra l’altro, sugli specchi d’acqua il ghiaccio galleggi sempre in superficie e gli strati d’acqua più profondi congelino per ultimi permettendo, in tal modo, la sopravvivenza dei pesci. Questo effetto della massima densità a 4 °C viene denominato «anomalia dell’acqua».

1.3 Proprietà dell’acqua

Le particolari proprietà dell’acqua influenzano la vita sulla Terra, l’ecologia e il clima – e devono essere tenute in considerazione per assicurare un trattamento e un trasporto corretto di questa sostanza.

Proprietà	Valore	Peculiarità	Rilevanza ecologica
Densità	Densità_{acqua max.} = 1 g/ml	Densità massima dell’acqua a 4 °C Il ghiaccio ha una densità inferiore rispetto all’acqua. Densità_ghiaccio = 0.92 g/ml	I laghi ghiacciano dall’alto verso il basso. Rimescolamento degli strati delle acque in primavera e autunno Disgregazione dovuta al crioclastismo prodotto dall’aumento di volume del ghiaccio
Capacità termica specifica	c = 4.18 kJ/(kg·K)	L’acqua ha la capacità termica specifica più elevata di qualunque altro liquido.	Oceani come serbatoi di calore Effetto compensativo sul clima
Calore di fusione	Q_fusione = 335 kJ/kg	Il calore di fusione dell’acqua è molto più elevato rispetto a quello di altri liquidi.	Compensativo durante il congelamento e lo scongelamento delle acque
Calore di evaporazione	Q_V = 2'282 kJ/kg	L’acqua vanta il calore di evaporazione più elevato tra i liquidi.	Effetto raffreddante durante la traspirazione
Conduzione termica	λ_acqua = 0.6 W/(m·K)	Conducibilità termica più elevata tra i liquidi ma molto bassa rispetto ai metalli. Esempio di altre sostanze: λ_vetro = 1 W/(m·K) λ_rame = 380 W/(m·K)	Importante per il bilancio energetico degli organismi Stratificazione termica nei laghi in estate con diverse forme di vita
Tensione superficiale	σ_acqua = 0.072 N/m	L’acqua vanta la tensione superficiale più elevata tra i liquidi.	Trasporto dell’acqua per effetto delle forze capillari nelle piante
Espansione dovuta a riscaldamento	ca. 4.37 % da 4 °C a 100 °C	L’anomalia dell’acqua fa sì che essa si espanda sia quando si riscalda al di sopra di 4 °C sia quando si raffredda al di sotto di 4 °C.	Se riscaldata da 10 °C a 60 °C, l’acqua si espande del 2 %. Per uno scaldacqua da 300 litri, ciò significa che attraverso la valvola di sicurezza defluiscono ca. 4 litri di acqua.
Espansione dovuta al congelamento	ca. 9 % Dallo stato di aggregazione liquido a quello solido (ghiaccio / 0 °C)
Comprimibilità	ca. 1/2'000	L’acqua è pressoché incomprimibile.

Esempi di proprietà fisiche dell’acqua

1.4 Il ciclo dell’acqua

Con il termine «ciclo dell’acqua» si intende il trasporto e l’accumulo dell’acqua a livello sia globale sia regionale.

Nel corso del proprio ciclo naturale, l’acqua passa più volte da uno stato di aggregazione all’altro per effetto dell’evaporazione, delle precipitazioni piovose e nevose, dell’accumulo nelle acque aperte e di falda nonché nelle piante e in altri organismi. Durante tali passaggi, l’acqua non va perduta, cambia soltanto il proprio stato.

Il ciclo dell’acqua è un fenomeno naturale che si verifica indipendentemente dall’intervento umano o tecnologico.

Con il termine «ciclo artificiale dell’acqua» si intende il trasporto e l’accumulo dell’acqua necessario per le attività umane e che determina un consumo di energia. Il suo scopo è assicurare un approvvigionamento di acqua sicuro e controllato. Le quantità di acqua trasportate in questo ciclo sono commisurate al fabbisogno. Sia per il trattamento dell’acqua potabile sia per il trattamento delle acque reflue sono necessarie energia e conoscenze specialistiche per mantenere attivo il ciclo. Le acque di falda inquinate da sostanze chimiche e le acque superficiali contaminate da germi possono essere trattate solo a fronte di un enorme dispendio di risorse o non possono più essere trattate ai fini dell’acqua potabile. Il ciclo ne risulta compromesso. Un’accurata gestione dell’acqua quale risorsa è pertanto estremamente importante.

IDA

Impianto di depurazione delle acque di scarico

1.5 Fabbisogno e disponibilità di acqua

L’acqua viene utilizzata in svariati modi. Soltanto una piccola percentuale viene impiegata come alimento e per l’igiene. La maggior parte (70 %) è destinata all’agricoltura. Ben il 22 % viene usato nell’industria.

Il fabbisogno di acqua potabile del corpo umano è pari a ca. 2-6 litri al giorno. Per assicurare l’igiene quotidiana si calcola un consumo minimo di acqua potabile di 20 litri a persona al giorno. Oggi ca. 450 milioni di persone in almeno 26 Paesi vivono al di sotto di tale soglia.

50 litri di acqua potabile a persona al giorno corrispondono al fabbisogno di base per soddisfare esigenze quali l’igiene personale e la preparazione di alimenti. Un ulteriore miliardo di persone allʼincirca in 28 Paesi vive con una quantità di acqua potabile inferiore a tale soglia di fabbisogno di base.

In Svizzera, il consumo di acqua potabile si aggira attorno ai 142 litri a persona al giorno, pari all’incirca al triplo del fabbisogno di base. Il consumo più elevato (ca. il 30 %) è dovuto all’utilizzo dello sciacquone del WC.

Mentre in Svizzera l’acqua pulita è disponibile in sovrabbondanza, molte zone del pianeta soffrono di carenza idrica. Per essere sostenibile a lungo termine, l’utilizzo dell’acqua dovrebbe basarsi esclusivamente sulla fonte di acqua dolce rinnovabile, ovvero la pioggia.

In Svizzera, la disponibilità di acqua rinnovabile a persona all’anno ammonta a ca. 6'520 m³.

1.6 Acqua non equivale ad acqua potabile

La superficie terrestre è, per gran parte, ricoperta di acqua. La superficie dei mari è pari ca. al 71 % dell’intera superficie terrestre e si estende per ca. 361 milioni di km².

La percentuale di acqua dolce è tuttavia molto esigua, pari ad appena ca. il 3 % del bilancio idrico della Terra. La maggior parte (96 %) delle riserve globali di acqua dolce non è immediatamente fruibile, non essendo per noi accessibile:

Il 66 % dell’acqua dolce è intrappolata nei ghiacciai dell’Artico e della Groenlandia.
Il 30 % dell’acqua dolce giace in strati geologici inaccessibili.

Al contempo, il fabbisogno quotidiano di acqua aumenta.

Il percorso dell’acqua dolce nelle nostre condutture dell’acqua potabile è lungo. L’acqua potabile deriva dalla cosiddetta acqua grezza.

Per acqua grezza si intende:

Acqua piovana
Acqua superficiale
Acqua di falda
Acqua sorgiva
Acqua subalvea

Nella maggior parte dei casi, l’acqua presenta impurità naturali. Ne fanno parte composti di ferro e manganese, sali, sostanze solide o persino acido silicico. Si riscontrano soprattutto nell’acqua di falda. L’acqua di falda viene alimentata dalle piogge, dallo scioglimento delle nevi e dei ghiacciai nonché dall’acqua di percolazione. Quando l’acqua filtra nel terreno si verifica un intenso scambio di sostanze. A seconda della natura e della composizione del terreno, l’acqua cede e ingloba le sostanze più disparate, siano esse sane o nocive.

In Svizzera, l’acqua potabile proviene da tre diverse fonti:

ca. il 40 % dall’acqua di falda
ca. il 40 % dalle sorgenti
ca. il 20% dalle acque superficiali, soprattutto da laghi e fiumi

1.6.1 Distinzione tra acqua potabile e altri tipi di acqua

1.6.1.1 Acqua chimicamente pura

In natura, l’acqua non esiste in forma pura. Essendo un solvente straordinario e un habitat per numerose specie contiene sempre impurità sotto forma di sostanze disciolte, composti organici e microrganismi.

Se si eliminano i sali disciolti nell’acqua, vale a dire i cationi e gli anioni, si ottiene acqua completamente demineralizzata. Eliminando i sali di calcio e di magnesio, l’acqua diventa inoltre completamente addolcita. Tuttavia continua a contenere sostanze organiche e microrganismi.

Solo dopo una distillazione si ottiene un’acqua in forma perlopiù pura come H₂O.

1.6.1.2 Acqua potabile

L’acqua potabile è acqua dolce idonea per il fabbisogno umano secondo quanto previsto dalle disposizioni di legge, in particolare come bevanda e per la preparazione degli alimenti ma anche per la cura del corpo e l’igiene. Le sostanze contenute nell’acqua potabile devono rispettare i valori limite prescritti e non possono essere né superiori né inferiori a essi. L’acqua potabile non può, ad esempio, contenere microrganismi patogeni. Devono invece essere presenti determinate concentrazioni minime di sostanze minerali.

Acqua sorgiva e acqua di falda

Durante il suo percorso attraverso i vari strati del terreno, l’acqua viene purificata divenendo ideale per l’utilizzo come acqua potabile.

Caratteristiche:

Poche impurità grossolane grazie alla filtrazione naturale durante la percolazione nel terreno
Acqua potabile perlopiù di buona qualità, nella maggior parte dei casi utilizzata senza trattamenti
Diversi tenori di sostanze minerali
Temperatura costante

Acqua lacustre e acqua fluviale (acqua superficiale)

L’utilizzo delle acque superficiali derivanti da invasi, fiumi e laghi è altrettanto diffuso e comune in quelle zone in cui non sono disponibili sufficienti riserve di acqua di falda.

Caratteristiche:

Acqua perlopiù dolce (ca. 10-20 °fH)
Necessità di un trattamento meccanico, chimico e batteriologico prima dell’utilizzo
L’acqua fluviale non viene trattata direttamente ma viene usata per l’arricchimento artificiale delle falde acquifere

Acque miste

Con «acque miste» si indica la miscelazione di acque grezze di diversa origine (ad esempio acque sorgive, di falda e di lago) nella rete di tubazioni dell’approvvigionamento idrico.

Acqua marina

Nell’acqua marina sono presenti soprattutto sali di sodio. La percentuale di sostanze minerali è molto elevata. È mediamente pari al 3.5 % (Mar Morto ca. 30-33 %). La percentuale di cloruro di sodio (NaCl) è pari ca. al 77 % della quantità totale di sali minerali.

In zone con scarse riserve di acqua dolce, l’acqua marina disponibile in abbondanza viene trattata per trasformarla in acqua potabile o sanitaria. Il dispendio energetico necessario per tale processo è tuttavia talmente elevato che questo tipo di produzione di acqua potabile rappresenta un’eccezione.

Acqua minerale

L’acqua minerale è prevalentemente acqua sorgiva. Per poter essere erogata alle utenze deve soddisfare i requisiti dell’Ordinanza concernente l’acqua potabile, l’acqua sorgiva e l’acqua minerale. Il tenore delle sostanze minerali può variare da molto basso a elevato:

Tenore di sali minerali molto basso: < 50 mg/l
Tenore di sali minerali elevato: > 1'500 mg/l

L’unico additivo consentito è l’anidride carbonica. L’acqua minerale con aggiunta di succo di frutta o sciroppo di frutta e zucchero o dolcificante artificiale deve essere denominata «bevanda da tavola». I valori limite stabiliti nellʼOrdinanza sull’acqua potabile valgono soltanto per l’acqua potabile. Per l’acqua minerale, i valori limite sono prescritti nel diritto sulle derrate alimentari.

1.6.1.3 Acqua industriale / acqua grigia

L’acqua trattata per impieghi specifici e non di qualità potabile è denominata «acqua sanitaria» o «acqua grigia» (ad esempio raccolta di acqua piovana, impianto di autolavaggio). Se utilizzata nelle aziende prende il nome di «acqua industriale». Può trovare impiego, ad esempio, laddove è necessaria un’acqua particolarmente dolce per evitare la formazione di depositi di calcare e il conseguente restringimento delle tubazioni oppure come acqua di raffreddamento, ad esempio nelle centrali nucleari.

Nella maggior parte dei casi, attraverso l’utilizzo l’acqua viene contaminata divenendo così acqua reflua analogamente all’acqua piovana.

1.6.2 Necessità di trattamento delle diverse acque grezze

I diversi tipi di impurità dell’acqua sorgiva, lacustre e di falda rendono necessari processi di trattamento più o meno dispendiosi. L’acqua lacustre richiede il maggiore consumo energetico e un trattamento in più fasi.

Consumo energetico per il trattamento delle acque grezze a confronto