lidar Sei qui: _POLVEROMETRO             Oggi il: 18-10-2017 | sei il visitatore numero: 4620 | IFAC
bordotondo

 

"POLVEROMETRO"
strumento Low-Cost per misure di polveri sottili (PM 2.5)
 Massimo Del Guasta INO CNR, Massimo Baldi IFAC CNR

La misura delle particelle sospese nell'aria che respiriamo e' importante per la salute... ma tecnicamente difficile a causa dell'ampia varieta' di dimensioni delle particelle sospese: non esiste a tutt'oggi uno strumento unico che possa "prenderle tutte"!
Le polveri possono essere raccolte su filtri, come generalmente eseguito da ARPA per le misure di legge, oppure essere misurate con metodi ottici (ecco un tutorial in inglese "particolato atmosferico e tecniche di misura" )

La tipica misura su filtro (che si ritiene conservativamente affidabile per le misure di legge) prevede una "pesata" del particolato raccolto su filtro dopo 24 ore di filtraggio di un flusso di aria. La normativa europea infatti richiede al momento la sola "sorveglianza" dei valori medi giornalieri di massa del particolato. Questa robusta tecnica e' ideale per il monitoraggio delle polveri su tempi lunghi da postazione fissa.

La misura ottica ricava la massa sospesa di particolato PM a partire dall'intensita' della luce da esso diffusa. La conversione da luce diffusa a massa sospesa e' meno affidabile della misura diretta del peso del filtro, ma il vantaggio e' la sua rapidita': pochi minuti tra due misure ottiche anziche' molte ore di filtraggio. La maggiore prontezza della misura ottica la rende perfetta nell'individuare picchi di concentrazione e, se opportunamente predisposta, anche l'origine della sorgente. Inoltre una piccola rete di questi sensori rappresenta la tecnica ideale per verificare la validita' dei modelli numerici di previsione dell'inquinamento da polvere: modelli sempre piu' usati per ridurre i costi della rete di monitoraggio ufficiale ma (attendo prova contraria) raramente validati in Italia con misure nel "mondo reale".

Un problema politico ed economico

In base all’art.5 della LRT n. 30 del 22/06/2009 (Nuova disciplina dell’Agenzia Regionale per la protezione ambientale della Toscana) ", ARPAT svolge le proprie attività istituzionali di natura tecnico scientifica solo a favore di amministrazioni comunali, provinciali, regionali e limitatamente ai tetti di attività previsti dalla programmazione annuale dell’attività". I cittadini, comitati, associazioni sono cosi' costretti a rivolgersi a privati (con costi elevati) per eventuali controlli di qualita' dell'aria. Le amministrazioni comunali possono richiedere i controlli certificati, se lo ritengono necessario, e se ci sono soldi pubblici per farlo. In molti casi fermare una attivita' economica come la gestione dei rifiuti può significare salate penali da pagare ai gestori dell'impianto, il tutto a carico delle amministrazioni pubbliche di vario grado. Un deterrente che puo' favorire l'immobilismo: il passato insegna (1) che la mobilitazione contro impianti effettivamente nocivi (es. Eternit di Casale Monferrato) spesso inizia quando l'attività è oramai in chiusura, chiusa o obsoleta, ed i danni alla salute non sono piu' compensati da un qualche beneficio economico.
D'altro canto l popolazione residente puo' percepire (1, 2, 3, ) come particolarmente pericolose attività che hanno invece un impatto localmente marginale sulla qualità complessiva dell'aria.

In assenza di minuziosi controlli "di legge", la qualità dell'aria attorno ai "punti caldi" esistenti (es. inceneritori) rimane ambito di inconcludenti discorsi da bar, diatribe tra catastrofisti e minimizzatori interessati: una empasse.... come uscirne?

Stimolando i sindaci (responsabili della salute pubblica) a richiedere le misure "di legge" nel caso che preliminari misure "non di legge" mostrino significativi ed inequivocabili contributi all'inquinamento da polveri da parte del controverso "punto caldo". Trattandosi di misure economicamente a carico della cittadinanza attiva, la strumentazione deve risultare facilmente utilizzabile ed a basso costo di realizzazione e noleggio, in modo da cortocircuitare l'alibi della carenza cronica di mezzi e fondi da parte degli enti.

-Con questo spirito e' nato e si sta evolvendo presso INO CNR il "POLVEROMETRO" ( poco presuntuoso anche nel nome) come strumento LOW-COST per misure di PM2.5 e micrometeorologiche da affiancare alle misure istituzionali.

- Il POLVEROMETRO punta alla realizzazione di economiche e flessibili mini-reti di misura attorno a "punti caldi", siano essi inceneritori o altri impianti sospettati di contribuire significativamente alla locale concentrazione di polveri sottili PM2.5

-Dal 2014 e' iniziata la costruzione, la sperimentazione e l'evoluzione (svincolate da ogni progetto) del dispositivo, giunto adesso alla versione 2.1

Un polverometro 2.0 installato

Qualche notizia sul POLVEROMETRO dal vivo.....

 

Due "Polverometri" versione 1.0 presso INO CNR

 

Polveri sottili, PM10, PM2.5, PM1.... che confusione!

La quantita' di "polveri sottili" sospesa in atmosfera è espressa tradizionalmente in PMx (microgrammi a metro cubo di polveri di diametro inferiore a "x" micron)

-PM10 è la massa sospesa di particelle sotto 10 micron di diametro
-PM2.5 è la massa sospesa di particelle sotto 2.5 micron
-PM1 è la massa sospesa di particelle sotto 1 micron

(Vale cioe' che PM10>PM2.5>PM1....)


Le moderne fonti di combustione emettono poche particelle grossolane, e cosi' gran parte del PM10 urbano e' costituito da PM2.5 o addiritura da PM1.

 

 

SPERIMENTAZIONE del "POLVEROMETRO"

1. Montale (Prato) 2014

In collaborazione con ARPAT e presso la locale centralina di misura PM 10/ PM 2.5 di Montale (Prato), via Pacinotti , nel 2014 e' stata sperimentata la versione 1.0 del "Polverometro". Montale rappresenta una particolarita' nell'inquinamento da polveri per la Toscana, per la contemporanea presenza di un controverso inceneritore e le concentrazioni elevate di particolato atmosferico (ecco il link ad una relazione ARPAT). I due fenomeni non sono necessariamente correlati ma la situazione e' peculiare perchè lo stato dell'arte delle misure ufficiali non e', da solo, in grado di verificare sperimentalmente l'impatto relativo delle diverse fonti di polveri sottili presenti sul territorio. Le stime ufficiali indicano un contributo irrilevante dell'impianto di incenerimento al PM locale, mentre la percezione pubblica e' di avviso opposto. Un perfetto terreno di test per il "Polverometro". Un polverometro 1.0 e' stato installato inizialmente presso la locale scuola elementare (foto) , e in seguito spostato presso la rete di recinzione della centralina fissa di misura atmosferica, grazie alla cortesia di ARPAT.

Montale posizionamento iniziale

prima localizzazione del polverometro a Montale, scuole elementari

La sperimentazione 2014 del Polverometro è servita soprattutto ad individuare i punti deboli dello strumento (in particolare l'inquinamento graduale ma reversibile del sensore, l'impatto della qualita' della calibrazione termica del sensore sulla qualita' dei dati di PM2.5, etc.).

I dati raccolti dal Polverometro ogni 5 minuti sono stati mediati (degradati) al fine di ottenere medie giornaliere di PM2.5 da confrontare con i dati ufficiali ARPAT.
Nella figura seguente riporto il confronto tra i dati di PM2.5 del polverometro ed i dati ARPAT:

-In ROSSO i dati PM2.5 del polverometro ottenuti ogni 5 minuti. In BLU i dati del polverometro mediati sulle 24 ore per confronto con i dati ARPAT (VERDE).
Nella figura inferiore i dati di temperatura (ROSSO) e umidità (BLU) come rilevati dal polverometro, ogni 5 minuti

Montale risultati tre settimane 2014

Dalla figura di PM2.5 si nota un ragionevole accordo tra i valori di PM2.5 giornalieri ottenuti mediante tecniche standard ARPAT e Polverometro. Le discrepanze sono da attendersi trattandosi di due tecniche completamente diverse di misura di PM2.5. Vorrei notare invece la presenza di cicli giornalieri (con concentrazioni piu' elevate durante la tarda nottata) e picchi di concentrazione di PM2.5 presenti nei dati di Polverometro e necessariamente inesistenti nelle medie giornaliere di legge, che quindi non consentono da sole di individuare la tempistica del fenomeno PM2.5 e l'eventuale origine dei picchi. Questo primo test mostra l'importanza di strumenti come il "Polverometro" nel fare luce su fenomeni locali di inquinamento da polveri, in parte legati alla dinamica delle sorgenti ma anche alla locale dinamica atmosferica. Due fenomeni difficilmente modellizabili che richiedono misure a basso costo ed elevata frequenza temporale. L'esperienza 2014 a Montale ha inoltre indicato l'importanza dell'integrazione nel polverometro di un sensore di direzione del vento, per indicare la direzione di arrivo dei picchi di concentrazione di polveri.

Considerato l'interesse anche mediatico della situazione di Montale, e' prevista a livello di volontariato per il prossimo autunno 2016, attorno all'inceneritore di Montale, l'installazione di una piccola rete di Polverometri che fornira' misure complementari ad ARPAT, ad elevata risoluzione temporale e con discriminazione della direzione di arrivo dei picchi di particolato al fine specifico di verificarne il contributo alle concentrazioni di PM2.5 locale.

 

2. Temuco (Cile) 2014

Grazie ad una collaborazione informale e molto amichevole con CEFOP (CEntro de FOtonica y OPtica) della universita' di Conception (Cile) nell'inverno australe 2014 presso Temuco (una delle citta' piu' inquinate da polveri sottili del Cile) si e' svolta una campagna dimostrativa di misure di particolato con l'utilizzo di alcuni Polverometri (versione 1.0). Per la prima volta il "polverometro" è stato utilizzato in una mini-rete, che prevedeva l'installazione presso le abitazioni di volontari ed istituzioni :

Polverometro - Temuco
Tetto dell' Università la Frontera

Polverometro - abitazione privata

Polverometro -Museo ferroviario

Polverometro - abitazione privata

A Temuco il riscaldamento civile e' ovunque realizzato con combustione di legna, rendendo la citta' fortemente inquinata soprattutto nelle notti invernali (vedi anche i dati online). I problemi sanitari legati al PM a Temuco sono drammatici. Già le seguenti foto serali ottenute durante la mini-campagna (durante la quale le concentrazioni non hanno tra l'altro mai assunto i valori massimi attesi in città, fino a 600ug/m^3 di PM2.5) evidenziano la situazione:

Foto serale e notturna di Temuco (giugno 2014) con concentrazioni di PM2.5 attorno ai 100 ug/m^3

Nonostante la brevita' della campagna, e problemi elettronici emersi per l'occasione dai Polverometri 1.0 (problemi che hanno portato allo sviluppo delle successive versioni), i dispositivi hanno mostrato la capacita' di seguire i picchi di inquinamento con estrema rapidità e fedeltà, ovviamente anche a causa delle elevate concentrazioni locali di polveri. Nel seguente grafico relativo a circa cinque giorni di misura mostro un confronto tra i dati PM2.5 del polverometro 1.0 (rosso) e, quando disponibili, i dati di PM2.5 della centralina governativa sulla quale il polverometro era installato ( Gendarmeria, loc. Las Casas, blu). La scala x e' in giorni e frazioni di giorno.

Si notano valori di PM2.5 decisamente elevati per lo standard europeo ( che prevede valori entro i 50 ug/m^3 su media giornaliera). L'ampia variabilita' temporale e' legata alla dinamica atmosferica locale, che trasferisce la "nube" di polveri dalle sorgenti (zone periferiche con combustione meno efficiente) alle altre zone cittadine con andamento non prevedibile mediante modello, sia per l'erraticita' delle sorgenti , sia per la complessita' della dinamica dei venti. La sperimentazione del polverometro ha consentito di verificarne l'utilità in forma di piccola rete, prontamente apprezzata dalle autorita' locali.
Purtroppo la recente crisi economica cilena ha impedito la programmata realizzazione di una rete di oltre cento polverometri per il monitoraggio delle polveri sottili nelle cittadine dell'intera regione cilena di Araucania.

 

3. Inceneritore Baciacavallo (Prato) Ottobre 2015- Aprile 2016

Su richiesta e in collaborazione con un locale comitato di cittadini, nell'autunno 2015 sono stati installati tre "Polverometri" (versione 2.0) per valutare durante l'inverno 2015-2016 l'impatto sull'area abitata circostante, in termini di PM2.5, di un impianto di incenerimento situato presso Paperino (Prato), impianto al centro di annose controversie tra gestori, ARPAT e comitati popolari.

http://photos2.meetupstatic.com/photos/event/a/b/8/8/highres_379543912.jpeg

Schema dell'impianto centralizzato di depurazione di Baciacavallo

L'inceneritore di Baciacavallo

Particolare dell'inceneritore di Baciacavallo (Prato)

 

L’impianto centralizzato di depurazione di Baciacavallo è gestito dalla società di Gestione Impianti Depurazione Acque, G.I.D.A, società per azioni a capitale misto pubblico e privato costituita da tre soci: l’Amministrazione Comunale di Prato, l’Unione Industriali Pratese e il Gruppo Consiag (società pratese di servizi prevalentemente energetici). L’impianto di depurazione si estende su una superficie di circa 24 ettari ed ha una capacità depurativa di circa 750000 abitanti equivalenti e una capacità massima di depurazione di 6000 m3/h. I liquami che confluiscono nell’impianto di Baciacavallo derivano in larga parte dalle lavorazioni industriali, in particolar modo da quelle tessili, con solo il 20% del volume totale dei liquami trattati di provenienza civile. Il restante, circa 100000m3 al giorno di media, provengono dalle attività industriali e sono caratterizzate dalla forte presenza di tensioattivi, oleanti tessili , coloranti, e da particelle solide sospese."La linea fanghi" è composta da ispessimento a gravità, disidratazione meccanica con centrifughe ed incenerimento dei fanghi. Quest'ultima sezione comprende un inceneritore a piani da 100 t/d, provvisto di post combustione, torre di lavaggio dei fumi ad umido, depolveratore a maniche e analizzatore in continuo delle emissioni.

In questo contesto tre polverometri (versione 2.0) sono stati "adottati" nel 2015 da cittadini abitanti presso l'impianto.

SHARP 1

Polverometro N°1 (sullo sfondo l'inceneritore)

SHARP 2

Polverometro N°2

SHARP 3

Polverometro N°3

mappa centraline

Dislocazione dei tre "Polverometri" (cerchi numerati) . Il posizionamento ideale sarebbe a circa 120° l'uno dall'altro attorno all'inceneritore (stella), ad una distanza da esso superiore al "cono d'ombra" di ricaduta della ciminiera. Trattandosi di una ciminiera di poche decine di metri di altezza, la distanza di qualche centinaio di metri e' stata ritenuta sufficiente. Nonostante la presenza di numerosi insediamenti civili sorti (paradossalmente) attorno all'inceneritore nei passati decenni, non è stato possibile reperire ulteriori volontari. Il posizionamento delle centraline rappresenta quindi un compromesso con la distribuzione ideale. Nella situazione ideale, inoltre, il dispositivo dovrebbe essere lontano da muri e grossi ostacoli, in modo da ridurre la perturbazioni dei venti. Anche in questo caso il compromesso risulta necessario, e solo la stazione N°1 rispettava in pieno questo requisito.

IL PROGETTO DI MISURA

Col Polverometro 2.0 e' iniziata la misura automatica, oltre a PM2.5, della direzione di provenienza delle polveri mediante mini- anemometro. Dislocando i Polverometri attorno ad una sorgente sospetta di essere un "punto caldo" per il PM2.5 e misurando su tempi ragionevolmente lunghi i valori di PM2.5 contemporaneamente alla direzione del vento ci si attende che i picchi di concentrazione, o le concentrazioni medie, o entrambe risultino originare dal punto caldo per tutte le centraline, eliminando cosi' la possibilita' che detti valori origino da altre fonti: un modo per "incastrare" una eventuale sorgente di PM. A questo sacopo i polverometri sono stati in funzione per alcuni mesi. Per problemi tecnici (risolti poi nella versione 2.1) solo il dispositivo N°2 ha funzionato ininterrottamente per quattro mesi tra 5 ottobre 2015 e 19 aprile 2016, mentre i dispositivi N°1 e N°3 hanno funzionato per due mesi, tra 22 febbraio 2016 e il 19 Aprile 2016.

RISULTATI: CICLO GIORNALIERO

A titolo di esempio riporto il ciclo giornaliero, ottenuto su 5 mesi di misure (ottenute ogni 5 minuti) per il Polverometro N° 2. (Il grafico e' analogo nelle altre due stazioni). Nel grafico sono riportati i dati ottenuti in funzione dell'ora (UTC) della misura, per cui i punti di tutti i cinque mesi di dati risultano "sovrapposti" nel grafico, ad individuare eventuali cicli giornalieri nelle misure. I cerchietti rappresentano le medie orarie di tutti i dati raccolti nei 5 mesi. Nel grafico in alto sono riportati in rosso i valori di PM2.5 raccolti, mentre con cerchietti verdi le medie orarie. Si nota un debole ciclo giornaliero, con valori medi orari sotto il livello dei 50ug/m^3 (linea nera) previsti dalla normativa europea per le medie sulle 24 ore. Il grafico in basso mostra in rosso il ciclo giornalero della temperatura, ed in blu il ciclo dell'umidita' relativa, sempre per il periodo 5 ottobre 2015 e 19 aprile 2016. I cerchietti indicano anche qui le medie orarie sull'intero periodo

diurnal cycle

RISULTATI: DIREZIONALITA' DI ARRIVO DEL PM2.5

Il cuore dell'esperimento era individuare una eventuale direzione prevalente di arrivo del PM2.5 dall'inceneritore, in modo da stimare senza ambiguità il contributo dell'inceneritore di Baciacavallo ai valori di PM2.5 nell'area circostante. Per far questo ho graficato i valori di PM2.5 registrati ogni 5 minuto in funzione della direzione del vento, registrata in contemporanea dal Polverometro. I diagrammi polari seguenti, per una migliore lettura, sono stati suddivisi in settori di 10° di angolo, entro i quali e' stato calcolato in valor medio del PM2.5 (verde) ed il 95° percentile (rosso, che rappresenta una misura dei picchi di concentrazione di PM2.5). Il Nord (0°) e' in alto. I valori di PM2.5 si leggono lungo il raggio, in [ug/m^3].

Con eccezione del Polverometro N°2, si nota una sostanziale isotropia dei valori di PM2.5, ovvero non si notano direzioni prevalenti di arrivo di PM2.5, ne' per il valor medio ne' per i picchi. La stazione N°2 registra una leggero picco verso Ovest (che tuttavia non e' la direzione dell'inceneritore) oltre a valori di PM2.5 leggermente piu' bassi degli altri due dispositivi. Il motivo e' probabilmente dovuto alla localizzazione del dispositivo, posto vicino ad un edificio ed in una strada piuttosto "chiusa"

SHARP 1

Direzione di arrivo del PM2.5 - strumento N°1

SHARP 2

Direzione di arrivo del PM2.5 - strumento N°2

SHARP 3

Direzione di arrivo del PM2.5 - strumento N°3

 

Riportando sulla mappa complessiva i diagrammi polari precedenti si puo' notare che l'assenza di significative asimmetrie dei tre diagrammi nella direzione l'inceneritore, sia nei valori medi che di picco del PM2.5, porta ad escludere un contributo significativo di questa sorgente al PM2.5 locale ( i cui valori risultano tra l'altro relativamente bassi), in linea con quanto suggerito per altre emissioni (ARPAT). (A mio personale avviso i cattivi odori segnalati dalla popolazione, che personalmente ho ben sentito, sono piu' imputabili a componenti gassose provenienti dai vicini impianti di trattamento delle acque).

Questo risultato sperimentale, per quanto possa sembrare ad alcuni un "non risultato" mostra l'utilita' di strumenti flessibili e di facile installazione come il "Polverometro" nel verificare sul campo il contributo alle polveri sottili di una sorgente potenzialmente importante.

angolare

Distribuzione angolare di origine del PM2.5 nelle tre stazioni di misura. L'inceneritore e' marcato con una stella. Non si notano lobi diretti verso l'inceneritore. Il contributo dell'inceneritore ai livelli locali di PM2.5 appare quindi trascurabile

 

 

 

 

 

 

 


Massimo Del Guasta - Istituto Nazionale di Ottica (INO) - Consiglio nazionale delle ricerche CNR       |       Via Madonna del Piano, 10 - 50019 Sesto Fiorentino - Firenze  |   Tel (office): +39-055-5226423 - Tel (laboratory) +39-055-5226424   |   Email: Massimo Del Guasta  |   Web: www.ino.it  |   sito ottimizzato per una risoluzione minima di 1024x768 e firefox

Locations of visitors to this page