Applicazione della spettroscopia a fluorescenza per la valutazione della stabilità biologica in rete

Guaranteeing the microbiological stability of drinking water in the network is a challenge for water utilities, who must not only ensure the physical integrity of the pipelines but also minimize the risk factors promoting microbial proliferation, which includes the availability of organic substrate. The application of fluorescence spectroscopy to monitor in real time the variations of dissolved organic matter (DOM) present in the distributed water, has received increasing interest in recent years, thanks to the fact its measurement is sensitive, rapid and non-invasive. The present study aims to investigate whether this technique can be utilised to support the evaluation of biological stability in drinking water distribution systems. To interpret the fluorescence measurement, a 4-component PARAFAC model was developed and validated on the basis of the assembled dataset consisting of the emission-excitation matrices (EEMs) of 116 samples. The results confirm the high sensitivity of fluorescence spectroscopy, which allowed the detection of statistically significant variations of DOM, even though the examined drinking water had a lower total organic carbon (TOC) concentration compared to the aqueous matrices usually studied in the literature. Specifically, the fluorescence intensity: (i) differs according to the water uptake depth of the extraction wells, (ii) provides an estimate for the removal efficiency of the applied treatment, (ii) is invariant with respect to the delivered flow rate, (iii) shows a variability along the network which is often greater than the one characterising the feed-in point, with increasing values as the residence time increases. The percentage contribution of PARAFAC components on total fluorescence: (i) is homogeneous for almost every sampling point, (ii) remains essentially unchanged as the water age varies. Finally, in light of these and other observations, the study has led to the hypothesis that all the detected fractions of DOM have microbial activity as a single source of origin.

Garantire la stabilità microbiologica dell’acqua potabile in rete è una sfida per il gestore del servizio idrico, che deve non solo assicurare l’integrità fisica delle condotte ma anche e soprattutto minimizzare i fattori di rischio promotori della proliferazione microbica, tra cui uno dei principali è la disponibilità di substrato organico. Per monitorare in tempo reale le variazioni della sostanza organica disciolta (DOM) presente nell’acqua distribuita, negli ultimi anni, ha riscosso sempre più interesse l’applicazione della spettroscopia a fluorescenza, grazie alla sensibilità, rapidità e non invasività di misura. Il presente studio mira a indagare se tale tecnica sia un valido supporto alla valutazione della stabilità biologica in rete. Per interpretare la misura della fluorescenza, è stato sviluppato e validato un modello PARAFAC a 4 componenti sulla base del dataset costituito dalle matrici di emissione-eccitazione (EEMs) di 116 campioni prelevati in una rete acquedottistica. I risultati confermano l’elevata sensibilità della spettroscopia a fluorescenza, che ha permesso di rilevare variazioni statisticamente significative della DOM, nonostante l’acqua potabile in esame abbia una concentrazione di carbonio organico totale (TOC) ridotta rispetto alle matrici acquose solitamente studiate in letteratura. Nello specifico, l’intensità di fluorescenza: (i) differisce a seconda della profondità di captazione dei pozzi di emungimento, (ii) fornisce una stima dell’efficienza di rimozione del trattamento applicato, (ii) è invariante rispetto alla portata erogata, (iii) evidenzia una variabilità lungo la rete spesso maggiore rispetto a quella che caratterizza il punto di immissione, con valori che aumentano al crescere del tempo di residenza. Il contributo percentuale delle componenti PARAFAC sulla fluorescenza totale: (i) è omogeneo per quasi tutti i punti di prelievo, (ii) rimane pressoché inalterato al variare dell’età dell’acqua. Infine, il lavoro svolto ha portato ad ipotizzare che tutte le frazioni rilevate della DOM abbiano come un’unica fonte di origine l’attività microbica.