Technological solutions for the EU challenges of zero pollution and circular economy in the management of urban wastewater and non-hazardous water-based waste

The modelling of a full-scale drinking water supply system (DWSS) was carried out, including hydraulic and quality analysis, for the assessment of polyethylene (PE) pipes aging to ClO2 in a real environment, and to identify the risks of premature pipe failure. The cluster analysis of PE pipes that have broken, compared to undamaged pipes, have: i) higher average concentrations of chlorine dioxide (0.07 ± 0.05 mg/L) and, ii) higher average water pressures (around 43 m). Moreover, a hybrid model combing mechanistic and artificial intelligence (AI) models, were developed to provide failure maps risk of the DWSS. Treatment trains for the exploitation of non-conventional water resources, such as brine and urban wastewater were studied at laboratory and pilot scale. In order to analyse and evaluate a pilot plant in Italy where the brine was pre-treated using established technologies like thermal evaporation and nutrients recovery by chemical precipitation, before membrane technologies were applied, experimental activities were conducted. The most efficient pre-treatments for the FO/RO membrane, as demonstrated by the pilot testing, are chemical precipitation. High Mg and Ca recovery (96% and 83%, respectively) is obtained from the chemical precipitation of the raw brine with 9–13 mL/L of NaOH. Moreover, UASB reactor, anaerobic membrane, and constructed wetlands (CWs) were studied at pilot scale for the treatment of urban wastewater in order to reach legislative limits for reuse in agriculture. The configuration composed of UASB + hybrid CWs + UV was able to obtain an effluent which meet the reuse quality limits, proposed by the new European legislation (EU 2020/741). The direct Carbon Footprint (CF) from a real the wastewater treatment plant (WWTP) was deeply investigated, proposing a hybrid model to predict and control N2O, CH4 and CO2 emissions from biological reactors. Therefore, mitigation scenarios were carried out to reduce these emissions, the control of the dissolved oxygen (DO) in the aerobic tank and the increases of the influent COD/N ration until 8 leads to a reduction of the CF for direct emissions of 21%. Functional analyses were carried out for the treatment of industrial wastewaters and technical solution were finally assessed. Two case studies were assessed: i) analysis of the agro-food wastewater flows entering a full-scale WWTP, and ii) treatment of pharmaceutical wastewaters. In the first case study, the 75-79% of the overall influent flow to the WWTP is accounted from the two industrial flows that were examined. The functional analysis of the WWTP units carried out have made it possible to identify serious issues of the plant for the removal of macro pollutants. In the second case study, efficiencies of several pilot plant configurations, including ozonation and MBR system, for the treatment of pharmaceutical wastewater were analysed. The pharmaceutical wastewater appears to have a phenomenon of inhibition of the biological nitrification process, notably for F/M ratios over 0.1-0.15 kgCOD/d kgMLVSS. The pre-ozonation process increase the biodegradability, between 8% and 39%, of the pharmaceutical wastewater. Finally, mass balances and removals of per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) were assessed for treatment trains involving sediments and landfill leachates. Three full-scale landfill leachate treatment plants (LTP) were investigated in three different regions in Italy to evaluate fate of PFAS during conventional and advanced leachate treatments. Conventional treatments were not able to remove PFAS which remains in the effluent, and then discharged into municipal wastewater treatment plants. A lower amount of PFAS, and particularly long chain-PFAS, is adsorbed in the sludge. The advanced treatment, which uses RO membranes, was able to obtain a “PFAS free” permeate. These compounds were concentrated in the produced RO concentrate that showed a relatively high concentration of ΣPFAS (62 ± 17 μg/L). In the case of sediments, washing treatment were carried out at laboratory and pilot scale to assess PFAS pathways. The results have shown that removal of PFAS is mainly correlated with removal of organic material from sediments. Probably, PFAS are complexed with organic substances in the sediments and this fact highly affects their removal. Moreover, the PFAS removal varied a lot depending on the washing procedure and treated sediments.

La modellazione di un sistema di approvvigionamento in acqua potabile su larga scala è stata effettuata, inclusa l'analisi idraulica e di qualità, per la valutazione dell'invecchiamento dei tubi in PE a ClO2 in un ambiente reale e per identificare i rischi di guasto prematuro del tubo. Le tubazioni in PE rotte, rispetto ai tubi non danneggiati, ha: i) concentrazioni medie più elevate di biossido di cloro (0,07 - 0,05 mg/L) e, ii) pressioni medie dell'acqua più elevate (circa 43 m). Inoltre, è stato sviluppato un modello ibrido che combina modelli meccanicistici e di intelligenza artificiale per fornire delle mappe del rischio di guasto della rete idrica. I processi di trattamento per lo sfruttamento delle risorse idriche non convenzionali, come la salamoia e le acque reflue urbane, sono stati studiati in laboratorio e su scala pilota. Sono state condotte attività sperimentali al fine di analizzare e valutare un impianto pilota in Italia, dove la salamoia è stata pretrattata utilizzando tecnologie consolidate come l'evaporazione termica e la precipitazione chimica per il recupero di nutrienti, e successivamente sono state applicate le tecnologie a membrana. I pretrattamenti più efficienti per la membrana FO/RO, come dimostrato dai test pilota, sono la precipitazione chimica. Il recupero elevato di Mg e Ca (rispettivamente 96% e 83%) è ottenuto dalla precipitazione chimica della salamoia grezza con 9-13 ml L-1 di NaOH. Inoltre, il trattamento combinato con reattore UASB, membrana anaerobica e fitodepurazione (CWs) è stato studiato su scala pilota per il trattamento delle acque reflue urbane al fine di raggiungere i limiti legislativi per il riutilizzo in agricoltura. La configurazione composta da UASB + CWs ibridi + UV è stata in grado di ottenere un effluente che soddisfa i limiti di qualità di riutilizzo, proposti dalla nuova normativa europea (UE 2020/741). La Carbon Footprint diretta (CF) dagli impianti di trattamento delle acque reflue (WWTP) è stata studiata a fondo, proponendo un modello ibrido per prevedere e controllare le emissioni di N2O, CH4 e CO2 da reattori biologici. Pertanto, sono stati effettuati scenari di mitigazione per ridurre queste emissioni, il controllo dell'ossigeno disciolto (DO) nella vasca aerobica e l'aumento del rapporto COD/N influente fino a 8 scaturisce a una riduzione del CF per le emissioni dirette del 21%. Sono state effettuate analisi funzionali per il trattamento delle acque reflue industriali e sono state infine valutate le soluzioni tecniche. Sono stati valutati due casi di studio: i) analisi dei flussi di acque reflue agroalimentari che entrano in un impianto in piena scala e ii) trattamento delle acque reflue farmaceutiche. Nel primo caso di studio, il 75-79% del flusso d'influenza globale al WWTP è rappresentato dai due flussi industriali esaminati. L'analisi funzionale delle unità WWTP effettuata ha permesso di individuare gravi problematiche dell'impianto per la rimozione di macroinquinanti. Nel secondo caso, sono state analizzate le efficienze di diverse configurazioni di impianti pilota, tra cui l'ozonizzazione e il sistema MBR, per il trattamento delle acque reflue farmaceutiche. Le acque reflue farmaceutiche sembrano avere un fenomeno di inibizione del processo di nitrificazione biologica, in particolare per i rapporti F/M su 0,1-0,15 kgCOD/d kgMLVSS. Il processo di pre-ozonizzazione aumenta la biodegradabilità, tra l'8% e il 39%, delle acque reflue farmaceutiche. Infine, sono stati valutati bilanci di massa e le rimozioni di sostanze per- e polifluoroalchiliche (PFAS) per i processi di trattamento dei sedimenti e del percolato di discarica. Tre impianti di trattamento del percolato sono stati studiati in tre diverse regioni italiane per valutare il destino dei PFAS durante i trattamenti convenzionali e avanzati del percolato. I trattamenti convenzionali non sono stati in grado di rimuovere i PFAS che rimangono negli effluenti e poi scaricati negli impianti di trattamento delle acque reflue urbane. Una quantità inferiore di PFAS, e in particolare PFAS a catena lunga, viene assorbita nel fango. Il trattamento avanzato, che utilizza le membrane del RO, permette di ottenere un permeato "libero di PFAS". Questi composti vengono però ritrovati nel concentrato di RO prodotto, che ha mostrato una concentrazione relativamente alta di ΣPFAS (62 ± 17 μg/L). Nel caso dei sedimenti, il trattamento di lavaggio è stato effettuato in laboratorio e su scala pilota per valutare il destino dei PFAS. I risultati hanno dimostrato che la rimozione di PFAS è principalmente correlata alla rimozione di materiale organico dai sedimenti. Probabilmente, i PFAS sono legati con sostanze organiche nei sedimenti e questo fatto influisce fortemente sulla loro rimozione. Inoltre, la rimozione dei PFAS varia molto a seconda della procedura di lavaggio e dei sedimenti trattati.