Digital and physical solutions for decarbonization and water-energy-food-carbon nexus optimization in urban and industrial circular water cycles

Technical solutions for the transition from “wastewater treatment plants” (WWTPs) to the concept of “low-carbon water resource recovery facilities” (WRRFs) have been addressed, focusing on: a) Carbon footprint, b) Digitalization of the Water Sector, c) Water reuse and resource recovery and d) Nexus assessment between water, energy, food and climate. Carbon Footprint Assessment for the wastewater treatment service has been investigated as a measure to support decision making towards a sustainable wastewater management. A new methodological evidence-based approach has been proposed for the determination of direct and indirect emissions in the wastewater treatment plants (WWTPs). Most of the considered emissions factors for carbon footprint assessment were validated by site-specific measurement campaigns that have been applied in the territorial basin of 4 different Italian water utilities, 18 real scale WWTPs were measured for a tot population equivalent of 1.4 million. Carbon Footprint assessment plays also a fundamental role in the determination of the nexus existing among energy, water, food and climate (WEFC Nexus). A framework for the identification, assessment and analysis of the WEFC nexus was developed and applied to the municipal WWTP of Peschiera Borromeo (Milan, Italy) and its peri-urban district to define most possible affirmations and conflicts following the EU regulations 741/2020. Finally, based on scientifically sound and validated data, a serious game was developed as a web-based application for near real-time audit of WEFC nexus. The digitalization of wastewater sector allows the creation of tools to support the management of water resources with a circular approach. A real-time sensor network has been designed to promote safe water reuse by reducing the risk of microbial contamination of soils and crops during irrigation. Finally, different pilot scale-up were performed, aiming to optimize treatment performances, automation and resource recovery.

La transizione dal concetto di ‘’impianto di trattamento delle acque reflue’’ al concetto di ‘’impianto di recupero di risorse dalle acque reflue’’ è stata indirizzata affrontando i seguenti temi: a) la valutazione dell'impronta di carbonio, b) la digitalizzazione del settore della depurazione delle acque, c) il recupero di risorse e il riutilizzo delle acque depurate in agricoltura e d) il nesso tra i settori di acqua, energia, produzione di cibo e clima (WEFC Nexus). La valutazione dell'impronta di carbonio per il servizio di trattamento delle acque reflue è stata studiata proponendo un nuovo approccio metodologico per la determinazione complessiva delle emissioni dirette e indirette negli impianti di depurazione (WWTPs). La maggior parte dei fattori di emissione considerati sono stati convalidati da campagne di misura sito-specifica applicate nel bacino territoriale di 4 aziende idriche italiane. Sono stati misurati 18 impianti di depurazione su scala reale per un totale di 1.4 milioni di abitanti equivalenti. Il concetto di Nexus è l'interconnessione tra le risorse energetiche, acqua, cibo e clima (WEFC). Diverse aree politiche considerano il Nexus un concetto chiave dell'economia circolare. Per questo motivo è stato sviluppato e applicato all'impianto di Peschiera Borromeo (Milano, Italia), un quadro per l'identificazione, la valutazione e l'analisi del Nexus. La digitalizzazione del settore delle acque reflue consente la creazione di strumenti a supporto della gestione delle risorse idriche. Dati grezzi raccolti da sensori on-line e da analisi di laboratorio sono stati integrati e analizzati sviluppando soluzioni che, tramite avvisi tempestivi, promuovano il riutilizzo sicuro dell'acqua riducendo il rischio di contaminazione microbica. Infine, sono state effettuate attività di scale-up di impianti pilota per il trattamento di acque reflue, con l'obiettivo di ottimizzare le prestazioni di trattamento, l'automazione e il recupero delle risorse.