From anaerobic membrane bioreactors to water resource recovery facility: experimental validation and sustainability assessment

Technical solutions for the transition from ‘wastewater treatment plant’ (WWTP) to the concept of ‘low-carbon water resource recovery facility’ (WRRF) were assessed, addressing i) water reuse, ii) resource recovery and iii) carbon footprint assessment. Specifically, in terms of water reuse, conventional ‘’fit-for-purpose’’ treatments and innovative solutions as anaerobic treatments were analysed and compared. A pilot scale system, placed in a hotspot of seawater intrusion, composed of an upflow granular anaerobic sludge blanket (UASB) reactor coupled with AnMBR (Anaerobic Membrane Bioreactor) was set-up and operated for more than 2 years. At an organic loading rate (OLR) of 1 kg COD/m3/d, biogas production was around 0.39 ± 0.2 L/d. The increase of the OLR to 2 kg COD/m3/d resulted in increase of biogas production to 4.11 ± 3.1 L/d with fermented cellulosic sludge addition. High saline conditions of 1500 mgCl/L adversely affected the biogas production without deteriorating the membrane operation. The final effluent met quality standards of CLASS A of the new EU regulation741/2020 for water reuse and resulted suitable for fertigation purposes in agriculture. An additional unit was coupled with the AnMBR treatment for removing contaminants of emerging concern (CECs), using Molecurarly Imprinted Polymers (MIPs) as adsorbent filler. An adsorption column was started-up and diclofenac was used as target compound. Removal efficiency was up to 50%. Additionally, microplastics (MPs) occurrence and removals in wastewater treatments were investigated. The full-scale conventional activated sludge scheme removed 86% of MPs, while the pilot-scale UASB+AnMBR configuration achieved 94% MPs removal. The results highlighted an accumulation phenomenon of MPs in the sludge and this affected negatively the methanogenic activity of anaerobic biomass. In this scenario also a prototype system for collecting significant wastewater sampling volumes to detect more representative MPs concentrations was designed and realized. On the other hand, water pollution in stormwater and related water bathing issues were addressed assessing combined sewer overflows (CSOs) management strategies and validating advanced compact treatments, composed of dynamic rotating belt filter, adsorption on granular activated carbon and UV disinfection, to minimize their impacts. The results of pilot treatment showed great potential for TSS, COD and E. coli removal efficiencies with more than 90%, 69% and 99%, respectively. Moreover, feasibility studies in full-scale WWTPs, addressing resource recovery solutions, including phosphorous salts, volatile fatty acids and biopolymers recovery were carried out. In particular, real environment eco-innovative solutions, developed within the H2020 Smart-Plant project to renovate existing WWTPs and close the circular value chain, were assessed using Cost-Benefit Analysis (CBA), Social Life Cycle Assessment (S-LCA) and Social Readiness Level (SRL) methods. Overall, the SMARTechs created benefits both from an environmental and social point of view, with a maximum total economic value (TEV) up to +23% compared to baseline scenario. In terms of social assessment SMARTechs fell in SRL range of 6-7, which implies a good societal acceptance and adaptation potential. Finally, Carbon Footprint Assessment for the wastewater treatment service was deeply investigated, proposing a new methodological evidence-based approach. Most of the considered emissions factors for carbon footprint assessment were validated by site-specific measurements campaigns in 12 WWTPs. Specific carbon footprints resulted in the emissions of 0.04-0.20 tonCO2eq/PE/y, varying according to the size of the plant. The most impactful categories were identified for indirect emissions associated with dissolved GHGs discharged in the surface water body and due to energy consumption, which accounted for 13–70% and 10–40%, respectively.

La transizione dal concetto di ‘’impianto di trattamento delle acque reflue’’ a quello di ‘’impianto di recupero di risorse dalle acque reflue a bassa impronta di carbonio’’ è stata indirizzata affrontando i seguenti temi: il riutilizzo dell'acqua depurata, il recupero di risorse e la valutazione dell'impronta di carbonio. In particolare, per quanto riguarda il riutilizzo dell'acqua depurata sono stati analizzati e confrontati trattamenti convenzionali di affinamento del refluo e soluzioni innovative che prevedono trattamenti anaerobici a membrana. In questo contesto, è stata operata per circa due anni una filiera di trattamento a scala pilota, composta da un reattore anaerobico UASB combinato con una membrana di ultrafiltrazione (AnMBR). Operando con un carico organico (OLR) di 1 kg COD/m3/giorno, la produzione di biogas era di circa 0.39 ± 0.2 L/giorno. L'aumento dell'OLR a 2 kg COD/m3/giorno ha determinato un aumento della produzione di biogas fino a 4.11 ± 3.1 L/giorno. Le condizioni di elevata salinità (1500 mgCl/L) hanno influito negativamente sulla produzione di biogas senza creare fenomeni di sporcamento aggiuntivi alla membrana. L'effluente finale trattato soddisfa gli standard di qualità della CLASSE A del nuovo regolamento UE 741/2020 per il riutilizzo dell'acqua ed è adatto per scopi di fertirrigazione in agricoltura. Un'unità aggiuntiva è stata combinata al trattamento AnMBR per la rimozione dei contaminanti emergenti (CECs), utilizzando polimeri a impronta molecolare (MIPs). È stata avviata una colonna di adsorbimento e il diclofenac è stato utilizzato come composto target. L'efficienza di rimozione è risultata pari al 50%. Sono state inoltre indagate la presenza di microplastiche (MPs) nelle acque reflue. Dai risultati sperimentali lo schema a fanghi attivi convenzionali, in scala reale, ha rimosso l'86% di MPs, mentre la filiera anaerobica su scala pilota ha ottenuto una rimozione del 94%. In questo scenario è stato anche progettato e realizzato un prototipo per il campionamento di volumi di refluo significativi al fine di rilevare concentrazioni rappresentative di MPs. Sono stati affrontati, inoltre, l’aspetto dell’inquinamento dovuto ai sovraflussi di piena della fognatura mista e i problemi relativi alla balneazione delle acque validando in campo filiere di trattamento modulari composte da filtro rotativo dinamico, adsorbimento su carbone attivo granulare e disinfezione UV. I risultati del pilota hanno mostrato rimozioni di TSS, COD ed E.Coli rispettivamente pari al 90%, 69% e 99%. Inoltre, sono stati condotti studi di fattibilità su impianti in piena scala che prevedono l’integrazione di soluzioni di recupero delle risorse quali fosforo, acidi grassi volatili e biopolimeri. In particolare, sono state valutate, utilizzando metodi quali CBA, S-LCA ed SRL, soluzioni eco-innovative, sviluppate nell'ambito del progetto H2020 Smart-Plant da integrare agli impianti esistenti ai fini di chiudere il ciclo dell’acqua. Complessivamente, gli impianti di depurazione integrati con le SMARTechs mostrano benefici ambientali e sociali, con un valore economico totale (TEV) massimo superiore di un 23% rispetto allo scenario di base, mentre i valori di SRL sono risultati nel range 6-7, dimostrando una buona accettazione sociale e un buon potenziale di adattamento delle SMARTechs. Infine, è stato approfondito il tema del Carbon Footprint per il servizio di depurazione, proponendo un nuovo approccio metodologico. La maggior parte dei fattori di emissione considerati è stata validata da campagne di misura in 12 impianti. I valori specifici dell’impronta di carbonio sono pari a 0.04-0.20 tonCO2eq/AE/anno, variabili in base alle dimensioni dell'impianto. Le categorie più impattanti sono state individuate nelle emissioni indirette associate ai GHG disciolti, scaricati nel corpo idrico superficiale e al consumo energetico, che contribuiscono rispettivamente per il 13-70% e il 10-40%.