Development of quantitative methods for sustainability assessment in process industry

The increasing aversion to technological risks of the society requires the development of inherently safer and environmentally friendlier processes, besides assuring the economic competitiveness of the industrial activities. The different forms of impact (e.g. environmental, economic and societal) are frequently characterized by conflicting reduction strategies and must be holistically taken into account in order to identify the optimal solutions in process design. Though the literature reports an extensive discussion of strategies and specific principles, quantitative assessment tools are required to identify the marginal improvements in alternative design options, to allow the trade-off among contradictory aspects and to prevent the “risk shift”. In the present work a set of integrated quantitative tools for design assessment (i.e. design support system) was developed. The tools were specifically dedicated to the implementation of sustainability and inherent safety in process and plant design activities, with respect to chemical and industrial processes in which substances dangerous for humans and environment are used or stored. The tools were mainly devoted to the application in the stages of “conceptual” and “basic design”, when the project is still open to changes (due to the large number of degrees of freedom) which may comprise of strategies to improve sustainability and inherent safety. The set of developed tools includes different phases of the design activities, all through the lifecycle of a project (inventories, process flow diagrams, preliminary plant lay-out plans). The development of such tools gives a substantial contribution to fill the present gap in the availability of sound supports for implementing safety and sustainability in early phases of process design. The proposed decision support system was based on the development of a set of leading key performance indicators (KPIs), which ensure the assessment of economic, societal and environmental impacts of a process (i.e. sustainability profile). The KPIs were based on impact models (also complex), but are easy and swift in the practical application. Their full evaluation is possible also starting from the limited data available during early process design. Innovative reference criteria were developed to compare and aggregate the KPIs on the basis of the actual sitespecific impact burden and the sustainability policy. Particular attention was devoted to the development of reliable criteria and tools for the assessment of inherent safety in different stages of the project lifecycle. The assessment follows an innovative approach in the analysis of inherent safety, based on both the calculation of the expected consequences of potential accidents and the evaluation of the hazards related to equipment. The methodology overrides several problems present in the previous methods proposed for quantitative inherent safety assessment (use of arbitrary indexes, subjective judgement, build-in assumptions, etc.). A specific procedure was defined for the assessment of the hazards related to the formations of undesired substances in chemical systems undergoing “out of control” conditions. In the assessment of layout plans, “ad hoc” tools were developed to account for the hazard of domino escalations and the safety economics. The effectiveness and value of the tools were demonstrated by the application to a large number of case studies concerning different kinds of design activities (choice of materials, design of the process, of the plant, of the layout) and different types of processes/plants (chemical industry, storage facilities, waste disposal). An experimental survey (analysis of the thermal stability of isomers of nitrobenzaldehyde) provided the input data necessary to demonstrate the method for inherent safety assessment of materials.

Abbandono del territorio e dissesto idrogeologico in Appennino bolognese: analisi delle dinamiche e degli interventi di gestione idraulico-forestale

The abandonment of less productive fields and agro-forest activities has occured in the last decades, interesting large mountain areas in all mediterranean basin. Until the fifties, agricultural practices dealt mainly with soil surface and surface runoff control systems. However, the apparent sustainability of soil use results often in contrast with historical documents, witnessing heavy hydrogeological instability, in naturally fragile areas. The research focused on the dynamics and effects of post-coltural land abandonment in a critical mountain area of the Reno River. The Reno River rappresents a typical Tuscan-Emilian Apennines Watershed where soil erosion occurs under very different conditions depending on interactions between land use, climate, geomorphology and lithology. Landslides are largely rappresented, due to the diffusion of clay hill slopes. Recent researches suggest that climatic variability will increase as a consequence of global climate change, resulting in greater frequency and intensity of extreme weather events, which could increase rates of erosion, landslides reactivations and diffusion of calanchive basins. As far as hill slopes are concerned, instability is today basically due to intrinsic factors, as the Apennine range is a rather young formation, in geological terms, and is mainly formed by sedimentary rocks with high occurrence of clays. Therefore landslides and rockfalls are very frequent, while surface soil erosion is generally low and anyway concentrated in the low Apennine, where intensive farming is still economically worth. The study, supported by GIS use, analyses the main fisical characteristics of the area and the historical changes of land use, and focalizes the dynamics of spontaneous reafforestation. Futhermore, the research studies the results of soil bioengineering and surface water control solutions for the restablishment of landslides occured in the last period. Infact soil bioengineering has been recently used in different situations in order to consolidate slopes and hillsides and prevent erosion; when applied, it gave good results, both in terms of engineering efficiency and vegetational development, expecially if combined with a good hydraulic control, thus proving to be an actual alternative to other techniques with heavier environmental impacts. Research into the specific site features and the use of proper plant species is vital to the success of bioengineering works.

Morphological and physiological responses of apple trees under photoselective colored nets

In recent years and thanks to innovative technological advances in supplemental lighting sources and photo-selective filters, light quality manipulation (i.e. spectral composition of sunlight) have demonstrated positive effects on plant performance in ornamentals and vegetable crops. However, this aspect has been much less studied in fruit trees due to the difficulty of conditioning the light environment of orchards. The aim of the present PhD research was to study the use of different colored nets with selective light transmission in the blue (400 – 500 nm), red (600 – 700 nm) and near infrared (700 – 1100 nm) wavelengths as a tool to the light quality management and its morphological and physiological effects in field-grown apple trees. Chapter I provides a review the current status on physiological and technological advances on light quality management in fruit trees. Chapter II shows the main effect of colored nets on morpho-anatomical (stomata density, mesophyll structure and leaf mass area index) characteristics in apple leaves. Chapter III provides an analysis about the effect of micro-environmental conditions under colored nets on leaf stomatal conductance and leaf photosynthetic capacity. Chapter IV describes a study approach to evaluate the impact of colored nets on fruit growth potential in apples. Summing up results obtained in the present PhD dissertation clearly demonstrate that light quality management through photo-selective colored nets presents an interesting potential for the manipulation of plant morphological and physiological traits in apple trees. Cover orchards with colored nets might be and alternative technology to address many of the most important challenges of modern fruit growing, such as: the need for the efficient use of natural resources (water, soil and nutrients) the reduction of environmental impacts and the mitigation of possible negative effects of global climate change.

Impatto ambientale dei rifiuti e degli sprechi agroalimentari in Europa e in Italia

Nonostante il fatto che una gran parte del mondo viva ancora oggi a livelli di sussistenza, i dati in nostro possesso ci indicano che le attività umane stanno esaurendo le risorse ambientali del pianeta. La causa di questo eccessivo sfruttamento delle risorse è da ricercare nei pattern non sostenibili di produzione e consumo dei paesi sviluppati. La preoccupazione per le conseguenze sull'ambiente e la lotta al cambiamento climatico hanno posto le politiche ambientali al centro dell'attenzione internazionale. Il Protocollo di Kyoto e la Commissione Europea hanno stabilito degli obiettivi di riduzione delle emissioni di gas serra, rispettivamente del 12% entro il 2012 e del 20% entro il 2020. All'interno del Protocollo di Kyoto l'obiettivo per l'Italia è ridurre del 6,5% le emissioni di gas serra nazionali rispetto al 1990. Le politiche mirate alla riduzione delle emissioni di gas serra hanno in genere come obiettivo gli impianti energetici e i trasporti. Poca attenzione viene data alla filiera agroalimentare pur sapendo che l'agricoltura ha un forte impatto sull'ambiente e recenti studi stimano che circa il 50% del cibo prodotto viene perso o buttato via dalla produzione al consumo. Alla luce di questi dati, il mio lavoro di tesi ha avuto come obiettivo quello di quantificare i rifiuti e gli sprechi agroalimentari in Europa e in Italia e stimare l'impatto ambientale associato. I dati raccolti in questa tesi mettono in evidenza l'importanza di migliorare l'efficienza della filiera agroalimentare per ridurre l'impatto ambientale nazionale e rispettare gli accordi internazionali sulla lotta ai cambiamenti climatici.

The challenges and the limitations in Life Cycle Impact Assessment for metal oxide nanoparticles, a case study on nano- TiO2

Life Cycle Assessment (LCA) is a chain-oriented tool to evaluate the environment performance of products focussing on the entire life cycle of these products: from the extraction of resources, via manufacturing and use, to the final processing of the disposed products. Through all these stages consumption of resources and pollutant releases to air, water, soil are identified and quantified in Life Cycle Inventory (LCI) analysis. Subsequently to the LCI phase follows the Life Cycle Impact Assessment (LCIA) phase; that has the purpose to convert resource consumptions and pollutant releases in environmental impacts. The LCIA aims to model and to evaluate environmental issues, called impact categories. Several reports emphasises the importance of LCA in the field of ENMs. The ENMs offer enormous potential for the development of new products and application. There are however unanswered questions about the impacts of ENMs on human health and the environment. In the last decade the increasing production, use and consumption of nanoproducts, with a consequent release into the environment, has accentuated the obligation to ensure that potential risks are adequately understood to protect both human health and environment. Due to its holistic and comprehensive assessment, LCA is an essential tool evaluate, understand and manage the environmental and health effects of nanotechnology. The evaluation of health and environmental impacts of nanotechnologies, throughout the whole of their life-cycle by using LCA methodology. This is due to the lack of knowledge in relation to risk assessment. In fact, to date, the knowledge on human and environmental exposure to nanomaterials, such ENPs is limited. This bottleneck is reflected into LCA where characterisation models and consequently characterisation factors for ENPs are missed. The PhD project aims to assess limitations and challenges of the freshwater aquatic ecotoxicity potential evaluation in LCIA phase for ENPs and in particular nanoparticles as n-TiO2.

Dinamica dell’intrusione salina nella costa ravennate: aspetti idrogeochimici ed evoluzione attesa

Nell’ambito del progetto multidisciplinare “Coastal Salt Water Intrusion”, che si propone di indagare “l’Intrusione salina nella costa ravennate con i conseguenti impatti territoriali-ambientali, connessi al previsto innalzamento del livello marino per cause climatiche e di subsidenza”, si inserisce il presente studio con l’obiettivo di fornire una caratterizzazione idrogeochimica delle acque di falda e superficiali e un modello geochimico generale sui processi di salinizzazione o desalinizzazione in atto nella falda freatica costiera della costa ravennate. E’ stato fatto un confronto fra tre metodiche di estrazione del complesso di scambio della matrice solida dell’acquifero che utilizzano rispettivamente acetato di ammonio, cloruro di bario e argento-tiourea. Sono stati posizionati 5 transetti perpendicolari alla linea di costa per un totale di 44 punti di campionamento con due campagne di prelievi, al termine della primavera e al termine dell’estate. La caratterizzazione dei processi di mixing e scambio ionico con la matrice solida dell’acquifero è avvenuta mediante analisi dei cationi ed anioni fondamentali, determinazione della CEC sulla matrice solida dell’acquifero, modellizzazione mixing/scambio ionico, modellizzazione della composizione teorica della frazione scambiabile in funzione della composizione acqua all’equilibrio e interpolazione geostatistica dei dati raccolti e costruzione di mappe geochimiche (curve di iso-concentrazione). La metodologia di estrazione che utilizza il bario-cloruro è risultata la più affidabile. Le acque prelevate dalla falda superficiale evidenziano miscelazione in varie proporzioni acqua marina/acqua dolce, scambi ionici per interazione acqua/sedimento, dissoluzione di CaSO4.2H2O. I processi di salinizzazione e/o addolcimento mostrano una significativa variabilità nello spazio (variabilità legata alla distanza dalla costa, al profilo topografico e alla distribuzione dei corpi sabbiosi litoranei) e nel tempo (variabilità legata alla piovosità e alla gestione delle acque superficiali e del sottosuolo). La complessa variabilità spazio-temporale dei processi in atto nella falda superficiale non consente di evidenziare una complessiva prevalenza di fenomeni di salinizzazione rispetto a quelli di addolcimento.

Alla ricerca della sostenibilità: lo sviluppo dell'agricoltura dall'Unità d'Italia alla Green Economy

L’elaborato finale presentato per la tesi di Dottorato analizza e riconduce a unitarietà, per quanto possibile, alcune delle attività di ricerca da me svolte durante questi tre anni, il cui filo conduttore è l'impatto ambientale delle attività umane e la promozione dello sviluppo sostenibile. Il mio filone di ricerca è stato improntato, dal punto di vista di politica economica, sull'analisi storica dello sviluppo del settore agricolo dall'Unità d'Italia ai giorni nostri e dei cambiamenti avvenuti in contemporanea nel contesto socio-economico e territoriale nazionale, facendo particolare riferimento alle tematiche legate ai consumi e alla dipendenza energetica ed all'impatto ambientale. Parte della mia ricerca è stata, infatti, incentrata sull'analisi dello sviluppo della Green Economy, in particolare per quanto riguarda il settore agroalimentare e la produzione di fonti di energia rinnovabile. Enfasi viene posta sia sulle politiche implementate a livello comunitario e nazionale, sia sul cambiamento dei consumi, in particolare per quanto riguarda gli acquisti di prodotti biologici. La Green Economy è vista come fattore di sviluppo e opportunità per uscire dall'attuale contesto di crisi economico-finanziaria. Crisi, che è strutturale e di carattere duraturo, affiancata da una crescente problematica ambientale dovuta all'attuale modello produttivo, fortemente dipendente dai combustibili fossili. Difatti la necessità di cambiare paradigma produttivo promuovendo la sostenibilità è visto anche in ottica di mitigazione del cambiamento climatico e dei suoi impatti socio-economici particolare dal punto di vista dei disastri ambientali. Questo punto è analizzato anche in termini di sicurezza internazionale e di emergenza umanitaria, con riferimento al possibile utilizzo da parte delle organizzazioni di intervento nei contesti di emergenza di tecnologie alimentate da energia rinnovabile. Dando così una risposta Green ad una problematica esacerbata dall'impatto dello sviluppo delle attività umane.

Context-sensitive design in transportation infrastructure: relating tire/pavement noise with wearing course characteristics

A design can be defined as context-sensitive when it achieves effective technical and functional transportation solutions, while preserving and enhancing natural environments and minimizing impacts on local communities. Traffic noise is one of the most critical environmental impacts of transportation infrastructure and it affects both humans and ecosystems. Tire/pavement noise is caused by a set of interactions at the contact patch and it is the predominant source of road noise at the regular traffic speeds. Wearing course characteristics affect tire/pavement noise through various mechanisms. Furthermore, acoustic performance of road pavements varies over time and it is influenced by both aging and temperature. Three experimentations have been carried out to evaluate wearing course characteristics effects on tire/pavement noise. The first study involves the evaluation of skid resistance, surface texture and tire/pavement noise of an innovative application of multipurpose cold-laid microsurfacing. The second one involves the evaluation of the surface and acoustic characteristics of the different pavement sections of the test track of the Centre for Pavement and Transportation Technology (CPATT) at the University of Waterloo. In the third study, a set of highway sections have been selected in Southern Ontario with various types of pavements. Noise measurements were carried out by means of the Statistical Pass-by (SPB) method in the first case study, whereas in the second and in the third one, Close-proximity (CPX) and the On-Board Sound Intensity (OBSI) methods have been performed in parallel. Test results have contributed to understand the effects of pavement materials, temperature and aging on tire/pavement noise. Negligible correlation was found between surface texture and roughness with noise. As a general trend, aged and stiffer materials have shown to provide higher noise levels than newer and less stiff ones. Noise levels were also observed to be higher with temperature increase.

Tetti verdi: Analisi sperimentale e Modellazione numerica

I tetti verdi rappresentano, sempre più frequentemente, una tecnologia idonea alla mitigazione alle problematiche connesse all’ urbanizzazione, tuttavia la conoscenza delle prestazioni dei GR estensivi in clima sub-Mediterraneo è ancora limitata. La presente ricerca è supportata da 15 mesi di analisi sperimentali su due GR situati presso la Scuola di Ingegneria di Bologna. Inizialmente vengono comparate, tra loro e rispetto a una superficie di riferimento (RR), le prestazioni idrologiche ed energetiche dei due GR, caratterizzati da vegetazione a Sedum (SR) e a erbe native perenni (NR). Entrambi riducono i volumi defluiti e le temperature superficiali. Il NR si dimostra migliore del SR sia in campo idrologico che termico, la fisiologia della vegetazione del NR determina l'apertura diurna degli stomi e conseguentemente una maggiore evapotraspirazione (ET). Successivamente si sono studiate la variazioni giornaliere di umidità nel substrato del SR riscontrando che la loro ampiezza è influenzata dalla temperatura, dall’umidità iniziale e dalla fase vegetativa. Queste sono state simulate mediante un modello idrologico basato sull'equazione di bilancio idrico e su due modelli convenzionali per la stima della ET potenziale combinati con una funzione di estrazione dell’ umidità dal suolo. Sono stati proposti dei coefficienti di correzione, ottenuti per calibrazione, per considerare le differenze tra la coltura di riferimento e le colture nei GR durante le fasi di crescita. Infine, con l’ausilio di un modello implementato in SWMM 5.1. 007 utilizzando il modulo Low Impact Development (LID) durante simulazioni in continuo (12 mesi) si sono valutate le prestazioni in termini di ritenzione dei plot SR e RR. Il modello, calibrato e validato, mostra di essere in grado di riprodurre in modo soddisfacente i volumi defluiti dai due plot. Il modello, a seguito di una dettagliata calibrazione, potrebbe supportare Ingegneri e Amministrazioni nella valutazioni dei vantaggi derivanti dall'utilizzo dei GR.