Misura delle emissioni in atmosfera e comparazione con i limiti
Nota critica ad una fallace interpretazione della norma

di Walter FORMENTON, Luca TONELLO, Mariano FARINA

La misura delle emissioni in atmosfera da sorgenti fisse (camini) si effettua, di norma, campionando una parte dell’emissione che è successivamente analizzata quantitativamente in laboratorio o, in alcuni casi meno frequenti, direttamente in campo mediante analizzatori automatici.

Con misura s’intende l’insieme di campionamento e di determinazione quantitativa dell’emissione. Una misura può essere composta da un singolo campionamento e analisi oppure da più campionamenti e analisi i cui singoli risultati (misure) vengono sintettizzati in un unico dato di misura.

Le misure si definiscono continue, se eseguite per lunghi periodi di tempo direttamente in campo mediante analizzatori automatici (SME) ² , oppure discontinue se eseguite saltuariamente nel tempo con prelievo del campione in campo e successiva analisi in laboratorio.

Le misure continue possono essere dirette quando la misura è eseguita direttamente sull’emissione con apposite sonde od indirette quando si misura una grandezza correlabile a quella da misurare. In entrambi i casi i dati rilevati sono una funzione continua del tempo.

Le misure continue possono essere estrattive, quando il sistema di analisi in continuo preleva un campione che è analizzato direttamente in campo. In tal caso, le misure presentano delle discontinuità temporali, dovute al numero finito di campionamenti che possono essere eseguiti in un certo intervallo di tempo ma continuano nel tempo.

Le misure in continuo sono registrate graficamente da una linea continua nel caso di misure continue dirette o indirette e da punti nel caso di misure continue estrattive ma in entrambi i casi, sia la linea che i punti si succedono con continuità nel tempo ³ .

Le misure delle emissioni in atmosfera, sia continue che discontinue, presentano numerose difficoltà operative che influenzano la rappresentatività del singolo campione prelevato o analizzato rispetto all’emissione effettiva ed inoltre falsano la misura con errori sistematici e casuali. Si riporta che le incertezze di misura possono essere anche molto elevate, dell’ordine del 30% per il campionamento manuale e del 10% per la misura in continuo ⁴ .

Il flusso di materia di una emissione può variare sia spazialmente, all’interno del condotto di emissione in ragione della geometria dello stesso, sia temporalmente in relazione al processo ciclico che lo produce e alle sue caratteristiche. Di conseguenza la quantità di materiale che viene prelevato con Il campionamento varia sia spazialmente, a seconda del punto della sezione del camino in cui è effettuato, sia temporalmente a seconda della durata e delle fasi del processo emissivo che sono intercettate.

Per essere rappresentativo dell’emissione, il campionamento deve rispettare la distribuzione spaziale del flusso emissivo e intercettare tutte le fasi del ciclo del processo che produce l’emissione.

Affinché la parte campionata sia rappresentativa spazialmente dell’intera emissione, i metodi di campionamento prescrivono una serie di regole operative per garantire che il flusso sia omogeneo in modo che la concentrazione sia uguale in tutti i punti della sezione di misura del condotto ⁵ . Ad esempio, se il condotto è di dimensioni ridotte eseguendo la misura in precisi punti non disturbati e, per condotti di grandi dimensioni, eseguendo più campionamenti in diversi punti del condotto.

Dal punto di vista temporale, specialmente nel caso di emissioni poco stazionarie ⁶ , che variano nel corso del tempo, la durata del campionamento deve poter rappresentare l’emissione nell’arco di tempo corrispondente all’intervallo temporale a cui si riferisce il limite (periodo di osservazione ⁷ ), nelle condizioni più gravose del processo. Ad esempio, se il limite è espresso con riferimento a un’ora, l’intervallo di osservazione deve essere di un’ora nelle condizioni di massimo carico dell’impianto ed il campionamento, singolo o multiplo, deve intercettare tutte le fasi del processo che si susseguono nello stesso arco di un’ora.

La rappresentatività della misura di una emissione entro un determinato intervallo temporale sarà tanto maggiore quanto più il campionamento si estenderà continuamente per tutto l’intervallo stesso. Nel caso di emissioni stazionarie nelle quali la concentrazione dell’emissione si mantiene costante almeno per il periodo di osservazione, la misura in un intervallo temporale più ristretto di quello di osservazione potrà essere considerata rappresentativa di tutto l’intervallo. Al contrario emissioni poco stazionarie, nelle quali la concentrazione dell’inquinante varia nel corso del periodo di osservazione, la rappresentatività dell’emissione sarà tanto più elevata quanto più la misurazione si estenderà per tutto l’intervallo temporale considerato.

Gli errori sistematici sono provocati da difetti delle apparecchiature utilizzate per il campionamento e l’analisi o da procedure operative errate che influenzano la misura deviandola da una parte (bias) rispetto al valore effettivo Di norma gli errori sistematici sono corretti mediante manutenzione e taratura delle apparecchiature ed eseguendo le misure secondo le procedure descritte nei metodi.

Gli errori casuali di misura sono deviazioni del valore misurato rispetto a quello effettivo dovuti a vari fattori non identificabili, caratterizzati dal fatto di essere accidentali e, appunto, di deviare a caso ( random) la misura rispetto al valore effettivo.

Gli errori casuali si possono limitare mediante la ripetizione della misura in modo che tendano a compensarsi. In tal caso il trattamento statistico dei dati fornisce un valore più fedele a quello effettivo attraverso il calcolo della media e della varianza.

Nel campionamento discontinuo, la rappresentatività dell’emissione e la compensazione degli errori casuali richiedono strategie contrastanti. In un certo periodo di osservazione, la rappresentatività dell’emissione campionata in modo discontinuo aumenta coprendo il periodo con il minor numero di discontinuità; al meglio eseguendo un solo campionamento esteso per tutto il periodo di osservazione.

La compensazione degli errori casuali richiede, al contrario, un numero elevato di misure nel periodo di osservazione, almeno tre per compensare con il calcolo statistico gli errori.

Nelle misure continue entrambe le condizioni sono soddisfatte. Se la misura è effettivamente continua non ci sono discontinuità e i numerosi dati sono rappresentati da una funzione continua.

Anche nei casi di misure continue estrattive, caratterizzate da frequenti misure nel periodo di osservazione, le discontinuità sono molto brevi, quindi il numero di dati è molto elevato nel periodo di osservazione e ogni dato può essere considerato rappresentativo temporalmente del breve periodo di tempo nel quale è stato misurato.

Per potere comparare una emissione con il limite, la misurazione deve essere rappresentativa dell’intero periodo di osservazione e nel contempo compensare gli errori casuali. Le due esigenze sono soddisfatte con una misura in continuo ma diventano contrastanti con una misura discontinua e richiedono quindi un compromesso che, in linea generale, è stato stabilito dal legislatore ma in sede di autorizzazione, l’ente di controllo ha facoltà di determinare il numero di campionamenti di cui è composta l’intera misura e l’intervallo degli stessi in modo più appropriato a seconda delle caratteristiche dell’emissione.

I limiti di emissione sono fissati dal legislatore come valori riferiti ad un certo intervallo temporale di osservazione. La norma stabilisce che i valori limiti di emissione…salvo diversamente disposto dal presente titolo o dall’autorizzazione, si intendono stabiliti come media oraria. ⁸

Per media oraria s’intende, nel caso di un campionamento continuo:

valore medio orario o media oraria : media aritmetica delle misure istantanee valide effettuate nel corso di un'ora solare. ⁹

Nel caso di misure discontinue per media oraria si deve intendere, per analogia, la media delle singole misure discontinue consecutive effettuate nel corso di un’ora solare.

Inoltre, le emissioni si considerano conformi ai valori limite se, nel corso di una misurazione , la concentrazione calcolata come media dei valori analitici di almeno tre campioni consecutivi…che siano rappresentativi di almeno un’ora di funzionamento dell’impianto nelle condizioni più gravose, non supera il valore limite di emissione. ¹⁰

Per valutare se una emissione rispetta il limite, si deve prima di tutto accertare quale sia il periodo di osservazione a cui il limite si riferisce. Se il limite è una media oraria, come di norma, ai fini della valutazione è necessario avere a disposizione tutti i dati che permettano di determinarla e, in particolare, devono essere disponibili dati per un’ora intera di emissione nelle condizioni più gravose. Se i dati sono disponibili solo per un periodo inferiore ad un’ora e non si possono estendere ragionevolmente sino ad un’ora, non sarà possibile alcuna comparazione con il limite, da cui l’inserimento, da parte del legislatore, del termine almeno un’ora. Se i dati sono numerosi e superano il periodo di un’ora, essi saranno ridondanti e sarà possibile determinare più valori di media mobile oraria da comparare con il limite, sempre che i dati consecutivi permettano di coprire rappresentativamente un’ora.

Nel caso di misure effettuate in continuo il problema non si pone avendo a disposizione un numero rilevante di dati (una funzione) che dovranno comunque estendersi ad almeno un’ora di emissione. In tal caso ci sarà una sola media oraria da comparare con il limite; diversamente, se i dati sono disponibili per un periodo più lungo di un’ora, di solito 24 ore, si avranno maggiori informazioni sull’emissione e si potrà calcolare la funzione media oraria mobile il cui valore massimo si potrà comparare con il limite. Il superamento del limite si avrà solo se la media mobile oraria massima nelle 24 ore è superiore di un fattore 1,25 al limite di emissione ¹¹ .

Il problema, in relazione alla rappresentatività dell’emissione e alla compensazione degli errori casuali di misura, sorge nelle misure discontinue. Anche in tal caso tuttavia ci deve essere un numero sufficiente di dati che rappresentino almeno un’ora di emissione.

La norma stabilisce che il numero minimo di dati disponibili debba essere tre nell’arco dell’ora. Il legislatore giudica che con un minimo di tre campionamenti eseguiti nel corso di un’ora, la misura possa essere sufficientemente rappresentatativa. Inoltre, la media dei tre dati disponibili nell’arco dell’ora compensa statisticamente gli errori di misura casuali e permette un confronto più affidabile con il valore limite, rispetto ad un solo campionamento eseguito nel corso di un’ora intera, che sarebbe sicuramente più rappresentativo, ma soggetto ad ampi errori casuali, per giunta non stimabili.

La scelta del legislatore di tre campionamenti minimi è un compromesso fra la rappresentatività dell’emissione, che sarebbe meglio rappresentata da un solo campionamento di un’ora ¹² e gli errori casuali che possono essere compensati con un minimo di tre campionamenti.

Se la misura è eseguita in modo discontinuo devono essere effettuati almeno tre campionamenti nell’arco dell’ora, ciascuno dei quali, di durata variabile da 0 a 20 minuti, sarà rappresentativo dell’intervallo di emissione di venti minuti, in modo da coprire esattamente un’ora di emissione. Più stazionaria è l’emissione di 20 minuti e minore sarà l’intervallo di campionamento rappresentativo dei 20 minuti stessi. In caso di emissioni poco stazionarie saranno necessari campionamenti più lunghi, prossimi a 20 minuti per essere rappresentativi dell’intervallo. Nulla vieta comunque che i periodi di campionamento possano essere diversi fra loro, ad esempio: 30, 20 e 10 minuti. Ad esempio, se si giudica che l’emissione vari significativamente nella prima mezz’ora è opportuno campionare interamente tale periodo e suddividere la restante frazione temporale in altri due campionamenti.

L’autorizzazione potrà specificare la durata dei singoli campionamenti o potrà imporre campionamenti maggiori di tre nell’arco dell’ora in modo da rappresentare più fedelmente l’emissione di un’ora.

Pertanto, se non diversamente specificato nell’autorizzazione, quando siano fattibili campionamenti fino a 20 minuti circa, sarà sempre possibile eseguire la comparazione con il limite media oraria con tre campionamenti eseguiti nell’arco dell’ora. Al limite anche con tre misure istantanee in campo (tre letture), ciascuna a rappresentare l’intervallo di venti minuti, se l’emissione è stazionaria e se è disponibile uno strumento di misura in continuo ma non è richiesta la misura in continuo.

Nella misurazione discontinua, il legislatore non ha introdotto un fattore di tolleranza come nel caso delle misure in continuo, che è del 25%, e quindi, dall’interpretazione letterale della norma è solo la media che si dovrebbe comparare con il limite, senza inserire alcun fattore correttivo.

Con una interpretazione analogica potrebbe sembrare che anche in tal caso si possa applicare la tolleranza del 25% dato che in entrambi i casi si compara una media oraria con il limite. Tuttavia i due casi sono solo apparentemente simili: infatti, nel caso delle misure continue si hanno a disposizione numerose medie orarie nell’arco delle 24 ore, scegliendo la massima per la comparazione con il limite mentre, nel caso delle misure in discontinuo si ha a disposizione una sola media, quindi con minori informazioni sull’andamento giornaliero dell’emissione.

D’altra parte il fatto di eseguire tre misure permette il calcolo della varianza e quindi dell’intervallo di confidenza della misura. Pertanto riteniamo che nel caso delle misure discontinue, il superamento del limite sarà probabilmente certo solo nel caso che la media aumentata del semintervallo di confidenza superi il limite.

Riteniamo che ciò sia desumibile sulla base del fatto che il legislatore ha scelto almeno tre campionamenti i quali permettono, appunto, la determinazione non solo della media ma anche della varianza e quindi il calcolo della probabilità statistica di superamento del limite. Per questa stessa ragione la comparazione con il limite di un solo campionamento non può ritenersi accettabile perché non permette di attenuare gli errori casuali. Nemmeno due campionamenti sono accettabili in quanto, pur permettendo il calcolo della media, non permetterebbero il calcolo della varianza e quindi della probabilità di superamento del limite.

La metodica di effettuare almeno tre campionamenti risulta pertanto razionale, proporzionale e con un grado di certezza sufficiente entro il campo delle valutazioni statistiche. Riteniamo, come è prassi, che il calcolo dell’intervallo di confidenza al 95% con il metodo statistico di student sia il più adatto per una valutazione del superamento del limite con un grado di certezza accettabile ¹³ .

Se la durata minima del campionamento richiesta dal metodo di misura fosse superiore ai venti minuti non sarà possibile eseguire tre campionamenti nell’arco di un’ora e pertanto sarà impossibile comparare il limite orario con la media di tre campionamenti. In tal caso, dovendo uscire dallo schema descritto dalla norma, sarà necessario che l’autorizzazione espliciti chiaramente e motivatamente il numero di campionamenti, la durata degli stessi e il valore limite a cui riferirsi, che non potrà più essere la media oraria a causa del vincolo che il tempo di osservazione debba essere superiore all’ora per essere coperto con tre misure ognuna delle quali superiore a venti minuti.

La pratica operativa, attualmente applicata da alcuni controllori pubblici o imposta alle aziende esplicitamente nell’autorizzazione per l’autocontrollo, di effettuare tre campionamenti di un’ora ciascuno e di comparare la media delle tre misure con il limite media oraria, deriva da una interpretazione discutibile della norma che si sta, purtroppo, diffondendo.

Il pronome ciascuno inserito con tale interpretazione, non è utilizzato dal legislatore e porta ad una contraddizione. Infatti, facendo la media di tre campionamenti di un’ora ciascuno, il periodo di osservazione è di tre ore e si ottiene quindi la media a tre ore dell’emissione, che non può essere comparata con il limite se questo è espresso come media oraria.

In tutti i casi in cui il legislatore ha espresso il limite come media oraria, e sono la maggior parte, sarà sempre possibile effettuare o una misura in continuo oppure una misura che copra almeno un’ora di emissione con almeno tre campionamenti consecutivi.

Nulla vieta comunque che, in sede di autorizzazione sia prescritta esplicitamente tale metodica (tre campionamenti di un’ora ciascuno) ma allora bisognerà fissare anche il limite come media di tre ore (sempre che esista da fonte normativa e, al momento, non ci risulta) o, alternativamente, stabilire che è il valore più elevato delle tre determinazioni, ognuna delle quali è una media oraria dell’emissione, ¹⁴ che va comparato con il limite. Ma in tal modo si avrebbe un dato orario accertato ottenuto con una sola misura, chiaramente molto incerto.

Solo in casi particolari e motivati sarà possibile stabilire con l’autorizzazione procedure diverse che debbono però essere coerenti, in particolare devono essere omogenei l’espressione del limite e il risultato di misura ottenuto dall’applicazione della procedura che deve cercare anche di compensare statisticamente gli errori casuali di misura:

L’autorizzazione può stabilire che, per ciascun prelievo, sia effettuato un numero di campioni o sia individuata una sequenza temporale differente rispetto a quanto previsto al presente punto 2.3 nei casi in cui, per necessità di natura analitica e per la durata e le caratteristiche del ciclo da cui deriva l’emissione, non sia possibile garantirne l’applicazione . ¹⁵

Il dubbio interpretativo di eseguire tre campioni di un’ora ciascuno sembra sia stato motivato da una infelice precedente formulazione del punto 2.3:

Precedente 2.3. Salvo diversamente indicato nel presente decreto, in caso di misure discontinue, le emissioni convogliate si considerano conformi ai valori limite se, nel corso di una misurazione, la concentrazione, calcolata come media di almeno tre letture consecutive e riferita ad un’ora di funzionamento dell’impianto nelle condizioni di esercizio più gravose, non supera il valore limite di emissione.

Il termine “letture” è una terminologia impropria, idonea per le misure in continuo e il termine “consecutive” apporta confusione in merito alla significatività dei dati elementari (letture) non essendo definito. Correttamente si è interpretato letture come campionamenti ma si è fatto riferimento alla definizione di durata di campionamento riportata nel manuale UNICHIM 158 che prevede “ la durata di campionamento deve essere uguale al tempo associato al limite di emissione ” senza considerare che il significato di “campionamento” inteso da UNICHIM 158 in questa definizione è quello di “misurazione”. Infatti lo stesso manuale precisa che con tempi di campionamento inferiori ad un’ora si devono eseguire più campionamenti fino a coprire la durata di campionamento (alias misurazione) ¹⁶ richiesta (un’ora). Miscelando i due criteri ne è risultato che ogni campionamento deve essere di un’ora e che devono essere eseguiti tre campionamenti di un’ora ciascuno, la media dei quali si compara con il limite, senza rendersi conto della contraddizione di comparare una misura di tre ore con un limite di un’ora.

Se correttamente interpretata anche la precedente formulazione del punto 2.3 stabiliva di effettuare una misurazione, composta dalla media di tre campionamenti (letture), nell’arco di un’ora. La nuova formulazione del punto 2.3 ha sostituito campionamenti a letture, correggendo il termine improrpio e ha definitivamente chiarito che i tre campionamenti si riferiscono alla durata di un’ora.

Sembra comunque che ciò non sia ancora sufficiente per dipanare tutti i dubbi poiché una conferma indiretta al campionamento di un’ora sembra provenire dall’affermazione del legislatore contenuta nello stesso punto 2.3:

Nel caso in cui i metodi di campionamento individuati nell’autorizzazione prevedano, per specifiche

sostanze, un periodo di campionamento superiore alle tre ore, è possibile utilizzare un solo campione ¹⁷ .

I sostenitori di questa interpretazione sostengono che il legislatore ha fissato in tre ore la soglia per passare da tre campionamenti ad un soltanto proprio perché i singoli campionamenti devono essere di un’ora. Tuttavia dalla scelta del legislatore non consegue necessariamente che i tre campionamenti debbono essere di un’ora ciascuno, dato che tempi di campionamento inferiori all’ora sono quasi sempre tecnicamente possibili e il legislatore non ha mai detto che ogni singolo campionamento debba essere di un’ora perché sarebbe caduto nella contraddizione di fissare limiti come media oraria salvo poi far misurare la media a tre ore per la comparazione.

La soglia di tre ore per passare da tre campionamenti ad uno solo è ovviamente una libera scelta del legislatore; una possibile spiegazione alternativa, senza contraddizioni, potrebbe essere che campionamenti ripetuti tre volte di tre ore ciascuno comportano un periodo superiore a nove ore che si estenderebbe oltre l’intervallo lavorativo che di norma è di otto ore.

Ovviamente in tali rari casi in cui il periodo di campionamento minimo è superiore alle tre ore e riguardano sostanze con limiti molto bassi, il legislatore ha scelto coerentemente limiti con periodi di osservazione molto lunghi. La durata del campionamento deve essere coerente con il periodo di osservazione del limite. In altre parole, se un limite è espresso come media di otto ore è prudenziale eseguire il campionamento in otto ore per ampliarne almeno la rappresentatività non potendo compensare statisticamente l’influenza degli errori casuali. Tempi inferiori potranno essere scelti come rappresentativi delle otto ore ma solo per emissioni che siano stabili.

Infine, ci sembra opportuno richiamare la modalità di calcolo della media.

Come noto, le concentrazioni sono grandezze intensive e non godono della proprietà additiva. Quindi non è possibile calcolare la media con l’usuale formula della somma aritmetica delle concentrazioni. Per effettuare la media bisogna utilizzare i flussi di massa campionati che sono grandezze estensive e quindi sommabili.

Pertanto la concentrazione media va calcolata con la seguente formula;

Cm = (C₁*V₁ +C₂*V₂+C ₃*V₃ … +C_n*V_n) / (V₁ +V₂+V₃ ….+V_n)

Dove: Cm = Concentrazione media; ¹⁸

C_{1..3, n} = Concentrazione campionamento 1..3, n;

V_{1..3, n} = Volume campionato 1..3, n.

Solo nel caso che i volumi campionati siano uguali si potrà applicare, per semplificazione, l’usuale formula di calcolo delle media aritmetica delle concentrazioni, che rimane però concettualmente derivata da una media di flussi non di concentrazioni.

Tale condizione è sicuramente osservata nel caso delle misure in continuo e, per tale motivo si può eseguire, in tal caso, la media aritmetica delle concentrazioni. La condizione non è osservata nel caso di misure discontinue caratterizzate da volumi campionati diversi, per le quali si deve applicare la formula generale sopra riportata e non quella semplificata.