La modellistica atmosferica dell'inquinamento olfattivo a fini autorizzativi

Enviroware realizza studi modellistici di impatto olfattivo. In questo post sono riportate alcune informazioni e riflessioni frutto dell'esperienza acquisita.

L'odore rappresenta un importante disturbo ambientale verso cui l'attenzione e' cresciuta di pari passo con l'industrializzazione e l'esigenza di un ambiente sano espressa dalla popolazione. Allo scopo di mantenere e migliorare la qualita' dell'ambiente sono necessari sforzi per abbattere i livelli di odore.

Lo studio dell'origine e della dispersione degli odori nonche' dei metodi di misura e di abbattimento sono percio' aspetti molto importanti per la tutela dall'inquinamento olfattivo. Tale esigenza e' stata recepita in tempi recenti anche da parte delle istituzioni preposte alla tutela della salute pubblica attraverso la promulgazione di Linee Guida per affrontare il problema.

Molte attivita' produttive sono responsabili dell'emissione di odori in atmosfera, tra cui per esempio la lavorazione dei prodotti agricoli, le produzioni alimentari, l'allevamento, il trattamento dei rifiuti liquidi e solidi e il compostaggio, la produzione di biogas.

Esistono oggi strumenti software modellistici su calcolatore che consentono di simulare la dispersione in atmosfera delle sostanze odorigene e di stimarne il disturbo olfattivo, sia per attivita' od opere esistenti che in fase progettuale. Tali strumenti consentono anche di determinare l'effetto di diversi soluzioni di abbattimento delle emissioni odorigene prima della realizzazione di interventi sugli impianti in un'ottica di valutazione dei costi e dei benefici.

Questo articolo descrive l'approccio metodologico modellistico da adottarsi, con un esempio di applicazione modellistica per la valutazione dell'impatto di sorgenti industriali mediante il modello di dispersione AERMOD dell'US-EPA, l'Agenzia per la Protezione dell'Ambiente degli Stati Uniti, in linea con le indicazioni delle Linee Guida della Regione Lombardia [1].

L'analisi del sito

L'inquinamento olfattivo riguarda tipicamente una scala spaziale di alcuni chilometri. L'analisi del sito riguarda sia la valutazione dell'orografia e del dislivello massimo nell'aera sia l'identificazione della copertura del suolo, della presenza di edifici e in generale delle disomogeneita' che possono comportare la non uniformita' del campo di vento. Il sito deve essere inoltre assimilabile a quello presso cui sono state condotte le misure meteorologiche. Tale analisi viene generalmente effettuata sfruttando l'ampia disponibilita' di immagini aeree e satellitari disponibili via internet cosi' come utilizzando dataset pubblici di altimetria del suolo ad alta risoluzione [2].

L'individuazione dei valori di riferimento

Sia a livello nazionale che comunitario non esiste attualmente una normativa specifica per il disturbo olfattivo. Tuttavia alcuni paesi europei (Olanda, Germania, Inghilterra) cosi' come alcune regioni italiane hanno definito dei valori di riferimento che rappresentano delle linee guida per le valutazioni.

La DGR n. IX/3018/2012 con cui la Regione Lombardia ha approvato le "linee guida per la caratterizzazione e l'autorizzazione delle emissioni gassose in atmosfera delle attivita' ad impatto odorigeno" ai commi 1 e 2 stabilisce:

• di approvare, in via sperimentale, le linee guida generali per la caratterizzazione delle emissioni gassose in atmosfera delle attivita' ad impatto odorigeno cosi' come definite nell'allegato A) a sua volta costituito dai sub-allegati 1), 2), 3) e 4), parti integranti e sostanziali del provvedimento;
• che decorsi tre anni dalla adozione delle linee giuda, la Giunta individua i limiti di tollerabilita' in termini di presenza odorigena caratteristici a seconda della vocazione del territorio regionale da applicare alle attivita' soggette alla normativa in materia di Valutazione d'Impatto Ambientale (VIA), Autorizzazione Integrata Ambientale (AIA) e autorizzazione alla gestione di rifiuti.

Da quanto sopra si evince che la Regione Lombardia ha ritenuto opportuno rimandare la fase di adozione di limiti di tollerabilita' a seguito di una fase sperimentale della durata di tre anni, finalizzata all'acquisizione di un rilevante numero di studi e di esperienze in merito.

Dall'analisi delle stesse linee guida si evince inoltre come i valori di accettabilita' che saranno definiti terranno in considerazione la destinazione d'uso del territorio analizzato (agricolo, residenziale, commerciale/artigianale, industriale), considerando che a seconda della zona in cui l'impianto viene a trovarsi, una data intensita' del disturbo puo' limitare o meno l'utilizzo dell'area interessata. Infatti in una zona residenziale dove vi sono delle attivita' antropiche per periodi prolungati, la sola percezione dell'odore puo' limitare fortemente la fruibilita' degli spazi, mentre in una zona agricola la presenza di un moderato disturbo olfattivo non impedisce che l'area possa essere utilizzata.

A livello nazionale non sono definiti limiti specifici ne' valori di riferimento. La linea guida prevede che, sulla base dei risultati delle simulazioni di dispersione atmosferica dell'odore siano redatte delle mappe di impatto dove devono essere riportati i valori di concentrazione orarie di picco di odore al 98esimo percentile su base annuale, cosi' come risultanti dalla simulazione a 1, 3 e 5 ouE/m3. Tali livelli sono di interesse poiche':

• a 1 ouE/m3 il 50% della popolazione percepisce l'odore,
• a 3 ouE/m3 l'85% della popolazione percepisce l'odore,
• a 5 ouE/m3 il 90-95% della popolazione percepisce l'odore.

La scelta del modello di simulazione

L'inquinamento olfattivo riguarda tipicamente una scala spaziale di alcuni chilometri attorno alla sorgente. Nel caso di terreno piatto o moderatamente complesso ed omogeneo in termini di copertura del suolo, si utilizzano tipicamente i modelli gaussiani [3], che richiedono dati di input in numero limitato e che possono essere reperiti o predisposti con relativa semplicita'. Uno di tali modelli e' AERMOD, realizzato dalla US-EPA e disponibile gratuitamente [4].

AERMOD e' il modello di riferimento statunitense [5] per lo studio dell'inquinamento atmosferico primario da sorgenti fisse non diffuse nell'ambito di applicazione sopra descritto (terreno semplice ed omogeneo) ed e' comunemente usato anche in Europa e in particolare in Italia a scopi autorizzativi (e.g AIA).

Vi sono situazioni in cui il campo di vento ad una determinata quota cambia di intensita' e direzione anche su piccole distanze. Cio' in particolare avviene quando il terreno presenta dei dislivelli sensibili (indicativamente 250 m tra la minima e la massima quota del dominio di simulazione) o quando vi sono delle forti discontinuita' della copertura del suolo, come nel caso dell'interfaccia terra mare lungo le coste o in presenza di aree urbanizzate e rurali o ancora se sono presenti estese superfici d'acqua.

In questi casi il campo meteorologico tridimensionale puo' essere ricostruito con diversi tipi di modelli meteorologici. Disponendo di misure sparse al suolo e in quota, uno strumento tipicamente usato e' il modello diagnostico CALMET [6], facente parte del sistema modellistico CALPUFF [7] suggerito dall'US-EPA [5]. CALPUFF e' in particolare il modello lagrangiano a puff che utilizza in input l'output del modello CALMET. CALMET puo' essere utilizzato anche per altri modelli per preparare l'input meteorologico, ad esempio per il modello tridimensionale lagrangiano a particelle LAPMOD in uso presso ARPA Emilia Romagna e ISPRA Roma. Va sottolineato che questi tipi di modelli sono piu' complessi da applicare e piu' onerosi computazionalmente.

Analisi climatica, caratterizzazione meteorologica e preparazione dell'input meteorologico

AERMOD richiede due file di input meteorologici, uno al suolo e l'altro in quota, entrambi con risoluzione temporale oraria. Alcuni di questi parametri sono direttamente misurati (es. velocita' e direzione del vento, temperatura, precipitazione) mentre altri possono essere calcolati applicando specifici algoritmi [8]. AERMOD e' inoltre dotato di algoritmi per il calcolo delle variabili in quota qualora esse non siano disponibili da misure.

Per la predisposizione dei dati di input si ricorre in genere ai dati raccolti dalle reti di monitoraggio che fanno riferimento alle Agenzie Regionali per la Protezione dell'Ambiente (ARPA). Ove disponibili e rappresentativi, i dati possono essere integrati con le misure meteorologiche METAR e radiosondaggi effettuati presso gli aeroporti. Un'altra fonte di dati puo' essere l'output di modelli meteorologici.

Per verificare la rappresentativita' del periodo di simulazione individuato, e' necessario caratterizzare la climatologia del sito nel caso siano disponibili serie storiche di dati misurati da cui individuare le direzioni e velocita' del vento prevalenti e le distribuzioni nel tempo di temperatura, umidita' relativa e precipitazioni. In questo ambito e' particolarmente utile visualizzare le rose del vento (Fig.1 - rappresentazioni generate con WindRose PRO3). Per inciso, la conoscenza della direzione e velocita' oraria del vento puo' rivelarsi molto utile anche per individuare sorgenti di odore esistenti, attraverso una rappresentazione polare delle segnalazioni di disturbo in funzione della velocita' e direzione del vento correnti.

Dati invalidi e calme di vento

Relativamente all'impatto odorigeno, le linee guida della Regione Lombardia richiedono di specificare i dati invalidi ed una eventuale procedura per la loro individuazione e ricostruzione, nonche' la metodologia per il trattamento delle calme. Si osserva che tali richieste sono presenti nella Linea Guida poiche' essa e' pensata principalmente per l'utilizzo di una meteorologia puntuale (si veda ad esempio il paragrafo 4.1 della Linea Guida dove i dati di una eventuale seconda stazione meteorologica sono previsti solo per completare i dati della stazione principale). Tuttavia, l'utilizzo di un modello 3D come CALPUFF con una meteorologia puntuale e' pratica spesso adottata perche' piu' semplice rispetto all'utilizzo di CALMET - non permetterebbe di apprezzarne appieno le potenzialita'.

Sorgenti di emissione

Le emissioni di sostanze odorigene, tipiche di molte attivita' produttive, sono quantificabili in termini di concentrazione di unita' odorigene equivalenti (OUE/m3). Per definizione, una qualsiasi miscela odorosa ha una concentrazione pari a 1 OUE/m3 quando il 50% delle persone di un panel esposto a progressive diluizioni ne percepisce l'odore. La preparazione dell'input emissivo richiede quindi l'individuazione di:

• caratteristiche geometriche delle sorgenti (coordinate, quota, superficie della bocca del camino per sorgenti convogliate o superficie esposta all'aria per sorgenti areali, presenza e forma di edifici prossimi alla sorgente);
• parametri termodinamici (temperatura, portata dei fumi o velocita' di uscita dal camino)
• ciclo temporale produttivo (orario di funzionamento);
• ratei emissivi.

Esistono in letteratura diversi riferimenti [9,10,11] per caratterizzare le emissioni in funzione di variabili surrogate legate al processo produttivo e all'entita' della produzione.

Simulazioni di dispersione e analisi dei risultati

I dati di input relativi alle sorgenti e al dominio di calcolo vengono inseriti nel file di input del modello di simulazione AERMOD e simulazioni sono condotte su almeno un anno di dati meteorologici orari. I modelli come AERMOD producono un campo di concentrazione stazionario e ciascun campo orario di concentrazione al suolo di sostanze odorigene viene elaborato per ottenere le statistiche di interesse.

L'elaborazione include anche l'applicazione del rapporto peak-to-mean, un fattore correttivo da applicare ai valori medi orari calcolati per riprodurre i valori mediati su 5 minuti, tempo tipico di percezione degli odori. I valori calcolati su un grigliato regolare in corrispondenza di specifici recettori sensibili di interesse, vengono quindi confrontati con i valori della normativa o della linea guida esistente presi quali riferimento.

In particolare, le Linee guida della Regione Lombardia e in uso anche in Emilia-Romagna, prendono quale indicatore il 98esimo percentile delle concentrazioni calcolate.

I risultati possono essere quindi rappresentati in forma tabulare e su base cartografica. L'uso dei modelli consente anche di valutare a priori l'effetto di strategie di abbattimento, nota la riduzione delle emissioni ottenuta.

Un esempio di applicazione

In questo contributo, a titolo di esempio che riprende quanto discusso sopra, si considera un'ipotetica emissione odorigena derivante da un ciclo produttivo continuo e convogliata in un camino presso un impianto in area agricola in prossimita' di un centro abitato, in area pianeggiante. In questo caso e' quindi possibile applicare il modello AERMOD. Per i valori limite si fa qui riferimento alle Linee Guida della Regione Lombardia. Nell'ipotesi che si tratti di un adeguamento di un nuovo impianto e tenuto conto del contesto (possibile impatto su residenze), il valore di riferimento per la valutazione e' pari a 2 OUE/m3 per il 98esimo percentile delle concentrazioni orarie al primo recettore.

Per applicare il modello e' necessario preparare i files di input come descritto in precedenza, sia per quanto riguarda la meteorologia che per le emissioni. Si assume qui che il camino sia alto 10 m dal suolo e che abbia un diametro alla bocca pari a 0.5 m. Si ipotizza un rateo di emissione pari a 4000 OUE/s, con velocita' di uscita dei fumi di 2.5 m/s, a 30 C di temperatura.

Le simulazioni producono un set di dati orari in ciascun punto del grigliato di calcolo e in corrispondenza dei recettori discreti che vengono processati per calcolare il 98esimo percentile (tenuto conto anche del peak-to-mean ratio pari a 2.3), da confrontare con il valore limite. Il risultato prodotto puo' essere riportato numericamente ed efficacemente rappresentato su base cartografica. In questo caso l'impatto e' al di sopra del limite di 2 OUE/m3 in corrispondenza di alcune residenze (Fig. 2 - isolinee su base Google Earth, generate con GEPlot). Attraverso ulteriori simulazioni e' quindi possibile valutare le misure di abbattimento delle emissioni che possono essere messe in atto per mitigare l'impatto e ricondurlo entro i limiti.

Riferimenti

[1] Linea guida per la caratterizzazione e l'autorizzazione delle emissioni gassose in atmosfera delle attivita' ad impatto odorigene. Regione Lombardia.

[2] Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) http://www2.jpl.nasa.gov/srtm/

[3] Zannetti P. (1992) Air pollution modeling. Theories, Computational Methods and Available Software. Van Nostrand Reinhold Co., ISBN 1853121002.

[4] http://www.epa.gov/ttn/scram/dispersion_prefrec.htm

[5] US-EPA (2005). Revision to the Guideline on Air Quality Models: Adoption of a Preferred General Purpose (Flat and Complex Terrain) Dispersion Model and Other Revisions; Final Rule. Federal Register, Vol. 70, N. 216, November 9, 2005. Rules and Regulations.

[6] Scire, J.S., F.R. Robe, M.E. Fernau and R.J. Yamartino (2000) A user's guide for the CALMET meteorological model (Version 5). Earth Tech. Inc., Concord, MA.

[7] Scire, J.S., D.G. Strimaitis and R.J. Yamartino, (2000) A user's guide for the CALPUFF dispersion model (Version 5). Earth Tech. Inc., Concord, MA.

[8] Bellasio R., G. Lanzani, M. Tamponi and T. Tirabassi (1994) Boundary layer parameterisation for atmospheric diffusion models by meteorological measurements at ground level. Il Nuovo Cimento, 17C, 163-174.

[9] Netherlands Emission Guidelines for Air http://www.infomil.nl/english/subjects/air/netherlands-emission/

[10] Determination and assessment odour in ambient air - Guideline on odour in ambient air - GOAA http://www.lanuv.nrw.de/luft/gerueche/GOAA_200303.pdf[11] Good Practice Guide for Assessing and Managing Odour in New Zealand http://www.mfe.govt.nz/publications/air/odour-guidelines-jun03/odour-guidelines-jun03.pdf