“DALL’EMERGENZA DELLE BONIFICHE AD UNA GESTIONE CONSAPEVOLE DEL TERRITORIO” Trento, 3-4 Luglio 2008
METODOLOGIE AVANZATE DI CARATTERIZZAZIONE PER LA BONIFICA E LA MESSA IN SICUREZZA DI SITI CONTAMINATI Esempi di applicazione in casi complessi G.P. BERETTAa, D. PEDRETTIa, A. FRANCIOLIa, M. MAJONEb a
Università degli Studi di Milano – Dipartimento di Scienze della Terra “A. Desio” b
Sapienza – Università di Roma – Dipartimento di Chimica
1) INDIVIDUAZIONE PROBLEMATICHE • 1.1) Letteratura, informazioni pregresse, problemi registrati nel sito
2) ATTUALIZZAZIONE DEL MODELLO CONCETTUALE • 2.1) Comportamento dei contaminanti nel sottosuolo • 2.2) Ricerca di elementi strutturali determinanti nella dinamica della contaminazione
2.2.1) Ricostruzioni idrogeologiche di dettaglio 2.2.2) Elaborazioni geostatistiche
3) METODOLOGIE DI CARATTERIZZAZIONE AVANZATE • 3.1) Gas interstiziali • 3.2) Acque • 3.3) Suoli
CONCLUSIONI G.P. BERETTA, D. PEDRETTI, A. FRANCIOLI, M. MAJONE METODOLOGIE DI CARATTERIZZAZIONE DI PER STUDI DI BONIFICA E MESSA IN SICUREZZA DI SITI CONTAMINATI Esempi di applicazione in casi di studio italiani
Esempio: Il sito “Ex Chimica Bianchi” (Rho – Milano) Studio condotto durante un progetto di ricerca di interesse nazionale PRIN 2005 Analisi di campo e di laboratorio condotte con: SAPIENZA UNIVERSITA DI ROMA – DIP. INGEGNERIA SAPIENZA UNIVERSITA DI ROMA – DIP. CHIMICA G.P. BERETTA, D. PEDRETTI, A. FRANCIOLI, M. MAJONE METODOLOGIE DI CARATTERIZZAZIONE DI PER STUDI DI BONIFICA E MESSA IN SICUREZZA DI SITI CONTAMINATI Esempi di applicazione in casi di studio italiani
1) Analisi del problema
1.1) Inquadramento territoriale del sito di Milano - Rho
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1.1) Inquadramento territoriale Città di Rho
L
RO ER F A INE
M RIA A I V
I- T O
F. Olona
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1.1) Tipologia di produzione e stoccaggio scorie dell’ex impianto IN ATTIVITA’ dal 1902 al 1979 • inchiostri per stampa, destrine e colle derivate • sintesi di coloranti azoici e di zolfo, per l’industria cotoniera (1500 t/anno). • composti inorganici (acido cloridrico, soda caustica, solfato, solfuro, solfito, bisolfito, ipoclorito di sodio); • prodotti intermedi della sintesi di coloranti (derivati principalmente da benzene e da naftalene, e della sintesi dei coloranti azoici e di zolfo - nitrobenzene, anilina, benzidina, aminofenoli, diossinaftaline, acidi H, gamma e isogamma); • carboni attivi (ottenuti a partire dai gusci di mandorla, e di tensioattivi - Igepon – sale sodico del metiltauride dell’acido oleico); • tannini sintetici (carbossimetilcellulosa e tensioattivi per uso domestico ed infine quella di perborato sodico e idrochinone per usi fotografici)
DOPO LA DISMISSIONE nel 1979 • Prime evidenze di contaminazione da solventi clorurati • Ritrovamento di un importante presenza di sostanze contaminanti in prossimità degli impianti di smaltimento e stoccaggio dei prodotti chimici di scarto • Inizio attività di messa in sicurezza del sito G.P. BERETTA, D. PEDRETTI, A. FRANCIOLI, M. MAJONE METODOLOGIE DI CARATTERIZZAZIONE DI PER STUDI DI BONIFICA E MESSA IN SICUREZZA DI SITI CONTAMINATI Esempi di applicazione in casi di studio italiani
1.1) Opere di messa in sicurezza adottate nel sito 1982 Incapsulamento del presunto focolaio mediante barriere fisiche
2006 Realizzazione di una barriera idraulica con annesso sistema di bonifica di tipo pump and treat
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1.1) Valutazione dei lavori pregressi Ricostruzione “plume” a scala regionale ed adeguamento sistemi messa in sicurezza Trichloroethylene plume in regional scale in April 2002 (after Provincia di Milano)
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Modello concettuale preliminare - Provincia di Milano (2002)
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1.1) Monitoraggio idrochimico recente: discordanza con posizionamento sistemi di messa in sicurezza
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1.1) Monitoraggio idrochimico recente: discordanza con posizionamento sistemi di messa in sicurezza
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2) Rivisitazione modello concettuale
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2.1) Organizzazione di database ambientali I passaggi preliminari che portano alla definizione di un nuovo progetto sono essenzialmente quattro: 2. Definizione di un DataBase ambientale 3. Il secondo step prevede la definizione della struttura del DataBase (relazione tra tabelle, campi chiave), in questo caso il software ne prevede alcuni già impostati 4. Definizione dei diversi client con possibilità di accesso al database e assegnazione dei diversi permessi di accesso (modalità solo lettura, possibilità di esecuzione di query ed infine opportunità di modificare e/o aggiungere dati 5. Ubicazione del progetto con relativo sistema di riferimento delle coordinate e individuazione di un sistema di classificazione dei suoli univoco da usare nel corso del progetto
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Acquisizione di dati in HydroGeo da precedenti database
I dati possono essere importati manualmente oppure attraverso l’opzione DTS (Data Transfer System), un utile strumento per importare (ed esportare) dati nel progetto di HydroGeo a partire da dati già organizzati in formato elettronico come ad esempio MS Excel, MS Access, SQL servers o Oracle Databases. Nell’importare i file scelti è necessario fare una correlazione tra i campi già esistenti nella tabella di origine e quelli predefiniti da Hydrogeo nella sua struttura (che varia a seconda del Data base scelto al punto 1 della slide precedente). Importante è notare come questo software preveda alcune utili funzioni come ad esempio un convertitore automatico di unità di misura (anche se limitato, in quanto non supporta alcune variabili dimensionali abbastanza comuni) o un tool che, al momento di importare una nuova tabella, verifica automaticamente eventuali errori presenti nei campi chiave (come ad esempio duplicati)
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Risultati ed interrogazione delle query I risultati delle query eseguite possono essere sia sotto forma numerica che grafica, qui di seguito riportiamo alcuni esempi:
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Visualizzazione grafica dei dati Ciò che maggiormente differenzia maggiormente HydroGeo rispetto ai normali DataBase in commercio è che permette una rapida visualizzazione simile a quella implementate nei GIS oltre ad avere una utility grafica chiamata Borehole Logs che consente di visualizzare a display il pozzo e tutte le sue caratteristiche.
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2.1) Dinamica dei contaminanti nel sistema sotterraneo b - Comportamento fisico dei contaminanti
DNAPL: Volatilizzazione (GAS) Dissoluzione nelle acque sotterranee Presenza di fasi separate Ripartizione ed adesione alla matrice solida
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2.1) Dinamica dei contaminanti nel sistema sotterraneo b - Comportamento chimico dei contaminanti
DNAPL: Reazioni di dealogenazione riduttiva (sottoprodotti) (PARENT-DAUGHTER CHAIN REACTIONS)
(TCE) (DCE) (VC)
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2.2) Attualizzazione del modello concettuale del sito 2.2.1 - Struttura idrogeologica a macroscala
Study Area
A0 A1 A2
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2.2) Attualizzazione del modello concettuale del sito 2.2.1 Ricerca di elementi determinanti nell’evoluzione dei contaminanti a scala locale
STRUTTURE CHE POTREBBERO INFLUENZARE IL TRASFERIMENTO DEI DNAPL IN FALDA ASSENZA O ASSOTTIGLIAMENTO DELL’ACQUITARDO VIE PREFERENZIALI DI PERCORRENZA DEI CONTAMINANTI
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2.2) Ricerca di elementi determinanti nell’evoluzione dei contaminanti a scala locale 2.2.2 Analisi geostatistica
STRUTTURE CHE POTREBBERO INFLUENZARE IL TRASFERIMENTO DEI DNAPL IN FALDA
ANALISI GEOSTATISTICA
Sorgente
ASSENZA O ASSOTTIGLIAMENTO DELL’ACQUITARDO VIE PREFERENZIALI DI PERCORRENZA DEI CONTAMINANTI
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2.2) Ricerca di elementi determinanti nell’evoluzione dei contaminanti a scala locale 2.2.2 Analisi geostatistica
STRUTTURE CHE POTREBBERO INFLUENZARE IL TRASFERIMENTO DEI DNAPL IN FALDA ASSENZA O ASSOTTIGLIAMENTO DELL’ACQUITARDO
VARIOGRAM NO DETRENDING AQUITARD TOP SURFACE ANALYSIS
VIE PREFERENZIALI DI PERCORRENZA DEI CONTAMINANTI
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2.2) Ricerca di elementi determinanti nell’evoluzione dei contaminanti a scala locale 2.2.2 Analisi geostatistica
STRUTTURE CHE POTREBBERO INFLUENZARE IL TRASFERIMENTO DEI DNAPL IN FALDA
VARIOGRAM ON RESIDUALS AFTER DETRENDING AQUITARD TOP SURFACE ANALYSIS
ASSENZA O ASSOTTIGLIAMENTO DELL’ACQUITARDO VIE PREFERENZIALI DI PERCORRENZA DEI CONTAMINANTI
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2.2) Ricerca di elementi determinanti nell’evoluzione dei contaminanti a scala locale 2.2.2 Analisi geostatistica
STRUTTURE CHE POTREBBERO INFLUENZARE IL TRASFERIMENTO DEI DNAPL FRA FALDA
Sorgente
ASSENZA O ASSOTTIGLIAMENTO DELL’ACQUITARDO A0/ A1 VIE PREFERENZIALI DI PERCORRENZA DEI CONTAMINANTI
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2.2) Ricerca di elementi determinanti nell’evoluzione dei contaminanti a scala locale 2.2.3 Analisi geostatistica - Carte piezometriche Maggio 2006 Acquifero A0
Acquifero A1
Sorgente
Direzione di flusso WNW-ESE
Sorgente
Direzione di flusso NNE-SSW
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2.2) Ricerca di elementi determinanti nell’evoluzione dei contaminanti a scala locale 2.2.3 Analisi geostatistica - Carte piezometriche Aprile 2007 Acquifero A1
Acquifero A0
Sorgente
Sorgente
Direzione di flusso NNE-SSW Direzione di flusso WNW-ESE G.P. BERETTA, D. PEDRETTI, A. FRANCIOLI, M. MAJONE METODOLOGIE DI CARATTERIZZAZIONE DI PER STUDI DI BONIFICA E MESSA IN SICUREZZA DI SITI CONTAMINATI Esempi di applicazione in casi di studio italiani
Rotazione delle falde e parzializzazione dell’acquifero semiconfinato: Combinazione degli eventi potrebbe essere ricondotta alla ricarica del sistema
CONDIZIONI NORMALI
A0
A1 S
S
S
CONDIZIONI SICCITOSE
Emergono alcuni aspetti peculiari che possono influire nella dinamica del trasporto degli acquiferi
S
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Emergono alcuni aspetti peculiari che possono influire nella dinamica del trasporto degli acquiferi Rotazione delle falde e parzializzazione dell’acquifero semiconfinato: Combinazione degli eventi potrebbe essere ricondotta alla ricarica del sistema (Pedretti et al. 2008)
Falda libera
Falda semiconfinata
Falda sospesa
Falda libera
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S
19 PUNTI DI CAMPIONAMENTO PER LA RICOSTRUZIOEN DEL PENNACCHIO DI TCE
I.D.W. METHOD Power: 1.5 ANISOTROPIA: in accordo con la direzione di flusso idrico sotterraneo in A1 (Aprile 2007)
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S
PENNACCHIO DI TCE NELL’A1 IN RELAZIONE ALLA GEOMETRIA DELLA G.P. BERETTA, D. PEDRETTI, A. FRANCIOLI, M. MAJONE BASE DI A0 METODOLOGIE DI CARATTERIZZAZIONE DI PER STUDISUPERFICIE DI BONIFICA E MESSA INDELLA SICUREZZA DI SITI CONTAMINATI Esempi di applicazione in casi di studio italiani
3) Metodi di caratterizzazione avanzata
3.1) Caratterizzazione della frazione gassosa (VOC)
Installazione micropiezometri per campionamento GAS interstiziale all’interno di un campo prova
6 micropiezometri della profondità di circa 2 m dal piano campagna (tramite miniperforatrice)
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Installazione micropiezometri per campionamento GAS interstiziale
I micropiezometri sono caratterizzati da diametro pari ad un pollice e sono fenestrati solo nell’ultimo mezzo metro (da 1.5 a 2 metri dal PC). Il sondaggio è stato poi completato con il riempimento delle parti libere tramite ghiaietto e bentonite.
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3.1) Caratterizzazione della frazione gassosa (VOC)
SG2
SG1
SG4 SG3 SG6 SG5
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Analisi GAS interstiziali
Sono state eseguite tre analisi di gas interstiziali sui sei piezometri esistenti. La prima campagna è stata utilizzata per la messa a punto della tecnologia di campionamento e analisi mentre la seconda è stata utilizzata come bianco di riferimento (a test di campo disattivato). La terza invece è stata fatta dopo un giorno di funzionamento del test di campo ma tuttavia i risultati non sono ancora in nostro possesso. G.P. BERETTA, D. PEDRETTI, A. FRANCIOLI, M. MAJONE METODOLOGIE DI CARATTERIZZAZIONE DI PER STUDI DI BONIFICA E MESSA IN SICUREZZA DI SITI CONTAMINATI Esempi di applicazione in casi di studio italiani
Primi risultati analisi GAS
In Italia non esistono allo stato attuale limiti di legge per i GAS interstiziali, per questo motivo si sono confrontati i dati riscontrati in campo con i limiti imposti dalla Confederazione Elvetica nell’ambito di siti inquinati. In rosso sono evidenziati i valori eccedenti tali riferimenti DIC 2006
MAR 2007
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3.2) Campionamento acque a- Campionamento con tecnica tradizionale
S
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3.2) Campionamento acque b- Stratificazione contaminazione da DNAPL Utilizzo di tecniche alternative: metodo MULTI-LEVEL
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3.2) Campionamento acque b- Stratificazione contaminazione da DNAPL Utilizzo di tecniche alternative: GEOPROBE
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3.2) Campionamento acque b - Stratificazione contaminazione Confronto risultati tecniche alternative A) Integrato sulla verticale B) Stratificato sulla verticale con sistema MLPS C) Stratificato sulla verticale con sistema GeoProbe ®
A0
A0 A0/A1
A1
A0/A1
A1
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3.3) Caratterizzazione della matrice solida a - Recupero campioni da indagini geognostiche Inadeguatezza tradizionali indagini geognostiche utilizzate ai fini ambientali
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3.3) Caratterizzazione della matrice solida b - Recupero campioni da indagini geognostiche specifiche
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3.3) Caratterizzazione su matrice solida: c - Analisi chimiche sui campioni di terreno
A0 A0/A1
A1
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3.3) Caratterizzazione su matrice solida: c – prove geotecniche sui campioni di terreno GRANULOMETRIE
U. C.
10000
Gravel Sand
90 80
Clay
1000
70 60 50
100 40 30 10
20 10
1
0 0
1
2
3
4
5
6
Samples
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Grain Size (%)
log Uniformity Coefficient (-)
Silt
3.3) Caratterizzazione su matrice solida: c – prove geotecniche sui campioni di terreno FRAZIONE ORGANICA
U. C.
10000
6
Organic Content
1000 4
100
3
2 10 1
1
0 0
1
2
3
4
5
6
Samples
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FOC (%)
log Uniformity Coefficient (-)
5
3.3) Caratterizzazione su matrice solida: d - Analisi mineralogiche sulle argille degli acquitardi
Orizzonte A0/A1
• I minerali principali delle argille (Illiti, Smectiti) sono di origine continentale • La presenza di amorfi (probabilmente ossidi di ferro) potrebbe testimoniare un avanzamento nella pedogenesi
Orizzonte A1/A2
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Analisi di dettaglio dei parametri fisici Prove geotecniche ed analisi chimiche di laboratorio sono state condotte sui campioni di terreno recuperati durante le attività di perforazione dei micropiezometri per il Soil Gas Survey .
Sono state desunte informazioni riguardo: Granulometria Contenuto organico Permeabilità su campione ricostruito Peso specifico del materiale G.P. BERETTA, D. PEDRETTI, A. FRANCIOLI, M. MAJONE METODOLOGIE DI CARATTERIZZAZIONE DI PER STUDI DI BONIFICA E MESSA IN SICUREZZA DI SITI CONTAMINATI Esempi di applicazione in casi di studio italiani
Stratigrafia dettagliata dei primi metri nell’area del campo prova
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ANALISI DI LABORATORIO
- Proprietà idrauliche Campione
Cond. idraulica media fra 1.35 m e 2.10 m dal p.c. [cm/s]
SG1
1.57 × 10 − 3
SG2
1.06 × 10 − 3 9.13 × 10 − 4
SG4 SG5 SG6
3.34 × 10 − 8 5.94 × 10 − 8
Misura del contenuto idrico d’acqua
All’interno dell’area di studio sono stati installati 2 sonde per la misura in continuo del contenuto idrico d’acqua. Le sonde sono caratterizzate da profondità di 1 e 1.5 metri. I sensori sono posizionati ogni 20 e 30 cm rispettivamente. Accoppiati a tali sonde sono presenti tre tensiometri per la misura del potenziale matriciale di suzione. I tensiometri sono caratterizzati da profondità di 45, 60 e 90 centimetri.
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4) Modelli numerici interpretativi
4.1 Analisi numerica preliminare della zona vadosa nel campo prova
Modello VS2DT (Variably Saturated 2-D and Transport Model)
Obiettivo
Valutazione parametri idraulici caratteristici della zona non satura Potenzialità strumento: trasporto di diversi tipi di contaminanti e la successiva trasformazione e percolazione di questi nel suolo e nella zona vadosa.
Risultati
Limo
Sabbia 1
Sabbia 2
Coef. immagazzinamento [1/ cm]
0.18
0.013
0.0565
Porosità
0.37
0.22
0.22
Alpha (Van Genuchten) [m]
-0.0172
-0.0334
-0.06
Beta (Van Genuchten) [-]
3.3768
3.3072
2.64
Con.idrico iniziale
Limo 1
Limo 2
Limo 3
Sabbia 1
Sabbia 2
0.238
0.304
0.269
0.121
0.1
4.2 Analisi numerica degli scambi idrici nel campo prova: modello numerico 2D FEM con SEEP/W
Barriere laterali (“diaframmi“) di confinamento del sarcofago
Falda superficiale libera(acquifero A0)
150.3
141.3 139.8
123.8
Acquitardo (“setto2) di separazione locale fra acquiferi A0 - A1
Prima falda semiconfinata (acquifero A1)
116.8
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Discretizzazione verticale: in accordo con la strumentazione impiegata
Dettaglio sulla discretizzazione verticale della maglia: Δz = 20cm - corrispondente a intervallo rilevamento sonda continuo 1 Δz = 30cm ( corrispondente a intervallo rilevamento sonda continuo 2
Δz = 30cm ( per simulare eventuale immorsamento diaframmi nel setto)
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Calibrazione del modello in stazionario e validazione su due set temporali Parametro di riferimento nel grafico: Contenuto idrico
Calibrazione del modello in transitorio: simulazione di un evento di pioggia Parametro di riferimento nel grafico: Contenuto idrico
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Calibrazione del modello in transitorio: simulazione di curve di esaurimento Parametro di riferimento nel grafico: carico idraulico
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Setto
SCAMBIO predominante
Scambio limitato
Scambio limitato
Valutazione degli scambi: preponderanza di passaggio attraverso l’acquitardo
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CONCLUSIONI 3) La caratterizzazione del mezzo geologico presenta pur sempre difficoltà dovute alle caratteristiche di eterogeneità/anisotropia del mezzo, nonché alla variabilità temporale del campo di moto 2) In presenza di fasi separate (soprattutto DNAPL) le tecniche di indagine devono ancora essere perfezionate per caratterizzare un sito 3) Le ricerche condotte (seppure con modesti finanziamenti rispetto a quanto avviene a livello internazionale) e da eseguire devono portare ad un miglioramento nella caratterizzazione del sito 4) Una migliore caratterizzazione significa una idonea messa in sicurezza di un sito contaminato e l’efficacia della successiva bonifica 5) La caratterizzazione non è limitata alla sola fase iniziale, ma controlla l’efficacia del processo di bonifica e verifica il raggiungimento degli obiettivi progettuali
