Grey-Green Solutions for Circular Water Cycle Management in Centralized and Decentralized Systems

Nowdays the development and health of communities around the world are threatened by water scarcity. The problem no longer involves only southern countries or specific regions, as in Europe and beyond water shortages, flooding, pollution and damage to ecosystems are issues to be addressed. Despite the legislative instruments, only improvements in water quality have been achieved, while little progress has been made for the integrated management of water resources. Within this framework, water pressures could be decreased by implementing centralized or decentralized solutions to both supply safe water and recover valuable resources from waste flows. In this thesis, different green and grey technologies for centralized and decentralized systems are investigated for sustainable recovery, and further safe reuses, of different resources. Firstly, the recovery of cellulose fibres from municipal wastewater was investigated as well as their possible reuses in the building sector as reinforcing components in binder-based materials. A rotating belt filter was used to recover cellulosic material, up to 26.6 g/m3 with an average content of cellulose, hemicellulose and lignin equal to 87% of the total composition. Moreover, the addition of recovered fibres in mortars brought benefits in terms of lightness, microstructure and moisture buffering value (0.17 g/m2%UR). Flexural strength was improved with the addition of 20% of recovered cellulose fibres. Secondly, appropriate hybrid treatment technologies (chemical-thermal- and membrane-based) were evaluated for the sustainable management of brines. A combination of pre-, main, and post-treatments were tested to address waste volume minimization, freshwater production and resource recovery while optimizing energy demand. Overall, the thermal process via evaporation achieved the highest performance in terms of volume reduction and ions recovery, equal to 99%, 99.9% Mg and 99.6% Ca, respectively. Whereas the optimized membrane-based treatment train, via Forward Osmosis, was able to achieve 61% volume reduction and recoveries of 68%Mg and 44Ê. Despite the lower yields, treatment train with membrane-based technology turned out to be the optimal solution for seawater brine management. Specifically, it was able to achieve good performance while saving the 62% of energy demand compared to thermal technology. Moreover, the membrane-based treatment train resulted in the most optimized process also for what concerns the O&M costs. Specifically, costs were 57% less than those evaluated for thermal treatment. Also decentralized systems can help to alleviate water issues, by providing safe alternative water sources in rural areas while creating a sustainable framework within a circular economy. Different NBSs for small communities were assessed to highlight their potential in closing the water loops. The current policy and legislation related to water supply, wastewater treatment, water reuse and resource valorisation were assessed. A regulatory fitness check was applied to each type of loop to identify the key factors to ensure compliance with the EU legislation. Moreover, a guidance methodology to assess the replicability of NBSs in different local contexts was developed and further applied to different case studies. Although high scores (e.g. 88/100 for Italy, 80/100 for Bulgaria and 79/100 for Mexico) were achieved for small-scale replicability, barriers to the implementation of NBS were identified in the local regulatory framework. Specifically, consistent room for improvements were detected within the legislative framework, highlighting a clear gap in the regulation of community-based systems. As a result policy feasibility was equal to 79/100 for Italy, 75/100 for Bulgaria and 64/100 for Mexico. Finally regulatory and financial gaps were identified in water management and an Innovation Deal approach was recommended to provide prescriptions for sustainable reuse of all water resources.

Oggigiorno lo sviluppo e la salute delle comunità di tutto il mondo sono minacciati dalla scarsità d'acqua. Il problema non riguarda più solo i paesi del sud o regioni specifiche, poiché in Europa, e non solo, la scarsità d'acqua, le inondazioni, l’inquinamento e i danni agli ecosistemi sono questioni da affrontare. Nonostante gli strumenti normativi per la tutela dell’acqua, miglioramenti sono stati raggiunti solo in termini di qualità, mentre pochi progressi sono stati compiuti per la gestione integrata dell’acqua. Le pressioni sulle risorse idriche potrebbero essere ridotte applicando soluzioni centralizzate o decentralizzate per fornire una fonte d’acqua sicura e per recuperare risorse dai rifiuti. In questa tesi sono state studiate diverse tecnologie green e grey per il recupero e ulteriori riutilizzi sicuri di diverse risorse. È stato studiato il recupero delle fibre di cellulosa dalle acque reflue municipali e il loro riutilizzo come componenti di rinforzo in materiali a base di leganti (malte). Un filtro rotativo è stato utilizzato per recuperare il materiale cellulosico, raggiungendo quantità pari a 26.6 g/m3 con contenuto medio di cellulosa, emicellulosa e lignina pari all'87% della composizione totale del materiale recuperato. L'aggiunta di fibre nelle malte ha portato benefici in termini di leggerezza, microstruttura e potere di tamponamento dell’umidità (0.17 g/m2%UR). La resistenza a flessione è migliorata con l'aggiunta del 20% di fibre di cellulosa recuperate. In secondo luogo, sono state valutate tecnologie ibride di trattamento (chimico, termico e a membrana) per la gestione sostenibile delle salamoie. È stata testata una combinazione di trattamenti per ridurre il volume dei rifiuti prodotti, produrre acqua dolce e recuperare risorse, ottimizzando il consumo energetico. Complessivamente, il processo termico ha raggiunto le massime prestazioni in termini di riduzione del volume e recupero di ioni, rispettivamente pari a 99%, 99.9% Mg e 99.6% Ca. Mentre la filiera ottimizzata con trattamento a membrana, ad Osmosi Diretta, ha ottenuto una riduzione del volume del 61% e recuperi di 68%Mg e 44Ê. Nonostante le rese inferiori, l’osmosi si è rivelata essere la soluzione ottimale per la gestione delle salamoie, ottenendo il 62% di risparmio del fabbisogno energetico rispetto alla tecnologia termica. È risultato il processo più ottimizzato anche circa i costi di gestione e manutenzione. I costi sono stati inferiori del 57% rispetto al trattamento termico. Anche i sistemi decentralizzati possono aiutare a fronteggiare i problemi idrici, fornendo fonti d’acqua alternative sicure nelle aree rurali. Nel presente lavoro, sono state valutate soluzioni nature-based per le piccole comunità, evidenziando il potenziale nella chiusura dei cicli idrici. È stata valutata l'attuale legislazione relativa all'approvvigionamento idrico, al trattamento delle acque ed alla valorizzazione delle risorse. È stato applicato un controllo dell'adeguatezza normativa a ciascun tipo di circuito per identificare i fattori chiave per garantire la conformità di tali sistemi con la legislazione dell'Unione Europea. È stata sviluppata una metodologia per valutare la replicabilità delle soluzioni in diversi contesti, applicandola a diversi casi studio. Sebbene siano stati ottenuti punteggi elevati per la replicabilità (88/100 per l'Italia, 80/100 per la Bulgaria, 79/100 per il Messico), nel quadro normativo sono stati individuati ostacoli all'attuazione delle NBS. Sono stati rilevati margini di miglioramento all'interno della legislazione, evidenziando una lacuna per i sistemi di tipo comunitario. La fattibilità normativa è stata 79/100 per l'Italia, 75/100 per la Bulgaria e 64/100 per il Messico. Infine, per affrontare le lacune ambientali, normative e finanziarie è stato raccomandato l’approccio dell’Innovation Deal per fornire prescrizioni ad hoc per il riutilizzo sostenibile delle risorse idriche.