23 research outputs found
First report of Fusarium pseudograminearum causing root and crown rot in the halophyte Salicornia europaea
No full textSalicornia europaea L. (glasswort), a euhalophyte in the Amaranthaceae family, is a valuable green vegetable. In July 2021, an outbreak of root and crown rot disease occurred on S. europaea grown in peat-filled pots under greenhouse. Symptoms appeared on 20–25% of 6-month-old plants. The fungus was identifed as F.
pseudograminearum by means of morphological observations and molecular sequence analysis based on tef-1α gene (EF-1/EF-2) and using species-specifc PCR primers (Fp1-1/Fp1-2). This pathogen is known as the causal agent of crown rot in cereals and has sporadically been reported on wheat plants and seeds of soybean and vetch in Europe. A pathogenicity test was then conducted in a growth chamber to fulfll Koch’s postulates. Forty-eight seedlings (57 days after sowing) were grown in aerated non-saline nutrient solution in which a suspension of F. pseudograminearum macroconidia had been poured (fnal concentration 105 ml−1). Other 48 plants (controls) were grown hydroponically in a separate growth chamber and inoculated with sterile distilled water. Twenty-four days after inoculation (dpi), half of control and inoculated plants was transferred into a new sterile nutrient solution while the other half was transplanted into pots flled with sterilized peat. After 80 dpi, 100% of pot-grown plants showed root and crown rot symptoms whereas only 70% of infected hydroponically-grown plants developed symptoms. No evidence of disease was observed in the controls.
F. pseudograminearum was consistently re-isolated from diseased plants in both cultivation systems (64.5–83.0%). Further investigations are in progress on this new pathosystem in saltwater hydroponics
Applicazione di tecniche statistiche avanzate (design of experiments) allo studio di processi di trattamento delle acque
No full textLa progettazione di un adeguato disegno sperimentale è funzionale al raggiungimento dell’obiettivo con un utilizzo efficiente delle risorse. Si vuole qui fornire un’introduzione alle tecniche di disegno fattoriale degli esperimenti (Design of Experiments – DoE), applicabili a vari campi di indagine tecnico-scientifica, al fine di evidenziare come la modalità di raccolta dei dati sia importante per fornire allo sperimentatore una visione completa del processo studiato e allo stesso tempo evitare un inutile dispendio di risorse. Dapprima si riporta una breve descrizione del metodo DoE rispetto al metodo OVAT (One Variable At a Time) convenzionalmente adottato, mettendone in luce i vantaggi nell’impostazione di un disegno sperimentale. Sono quindi riportati due casi di studio in cui la metodologia DoE è stata applicata. In particolare, nel primo caso è stata valutata l’influenza di cinque composti inorganici sul consumo di acido peracetico (PAA), disinfettante sempre più utilizzato negli impianti di acque reflue ma ancora poco studiato. Il secondo caso di studio riguarda l’applicazione del metodo DoE per l’ottimizzazione della dose di H2O2 e radiazione UV al fine di avere adeguate efficienze di decolorazione di reflui misti a forte componente tessile. In entrambi i casi la metodologia DoE è risultata efficace: nel primo caso ha permesso di individuare l’effetto di interazione tra due dei cinque composti indagati, effetto che con il metodo OVAT non sarebbe stato possibile individuare mentre, nel secondo caso, ha mostrato come sia possibile giungere a risultati di ottimizzazione analoghi a quelli ottenuti con il metodo OVAT ma con un decisivo risparmio di risorse
An integrated modelling framework to assess cascade water reuse in urban areas
No full textIn the recent years water scarcity has been an increasing problem for many countries worldwide. For this reason, there is currently a strong focus on increasing reclaimed wastewater reuse, especially for agriculture purposes (Fernandes and Cunha Marques, 2023). Besides, the cost of energy from conventional resources is increasing, thus the energy sector is moving towards more distributed and efficient use of heat sources across urban areas. Typical applications are heat pumps using local groundwater reservoirs and subsequently discharging in the nearby surface water bodies/artificial channels (recipients). Furthermore, for a better quality of these recipients and for a better performance of wastewater treatment plants (WWTP), stormwater can be collected in separated sewers discharging only the urban runoff to the recipient. In this context, water is subjected to multiple uses, with potential cross-contaminations across different compartments, posing a risk for the environment. Hence, there is a strong need for tools capable of supporting stakeholders towards a wiser and safer use of water resources, to ensure long-term resilience, stability, sustainability and security of the society with regard to water use. An integrated model was developed to simulate the fate and associated risk of hazardous contaminants in a cascade water reuse system
Disinfection by peracetic acid : influence of inorganic and organic compounds
No full textLAUREA MAGISTRALEL’acido peracetico (PAA) è un buon ossidante che, grazie alle sue buone proprietà disinfettanti, rappresenta una valida alternativa ai cloro-derivati nel settore del trattamento delle acque reflue. Il PAA ha un’attività antimicrobica ad ampio spettro con elevate efficienze di inattivazione sia in effluenti primari che secondari. In acqua decade rapidamente seguendo la cinetica di Haas e Finch che tiene in considerazione consumo iniziale e decadimento, con formazione principalmente di acido acetico, ossigeno e acqua, e con assenza di sottoprodotti tossici. In questo studio, sono stati condotti 40 esperimenti a scala di laboratorio al fine di indagare l’influenza che composti organici e inorganici hanno sul consumo di acido peracetico, utilizzando tre disegni sperimentali, pianificati secondo la metodologia del Disegno Sperimentale (DoE, Design of Experiments). Sono state selezionate 3 concentrazioni di disinfettante (2, 5 e 10 mgPAA/L) e un totale di 11 composti, 5 inorganici e 6 organici, le cui relative concentrazioni sono state definite a partire dai valori riscontrabili in tipici effluenti secondari. Lo studio ha evidenziato che la presenza di sostanze organiche consuma acido peracetico molto rapidamente (entro 5 minuti) e indipendentemente dalla concentrazione iniziale di disinfettante. Il consumo dovuto alle sostanze inorganiche, invece, si è rivelato lento e costante nel tempo e dipendente dalla concentrazione iniziale di disinfettante. Più precisamente, i principali responsabili del decadimento sono stati evidenziati nel ferro ridotto e nell’ortofosfato. Il ferro, in particolare, grazie alla sua capacità di catalizzatore, consuma gran parte del disinfettante, mentre l’ortofosfato, per le sue caratteristiche di agente chelante, interagisce principalmente con il ferro, inibendone la capacità di catalizzazione e rallentando così il decadimento di acido peracetico. Per quando riguarda le sostanze organiche, i composti proteici, come caseina e peptone, sembrano essere i principali responsabili del consumo iniziale. Si ipotizza che ciò sia dovuto alla formazione di radicali liberi, ossidrilici e perossidici, per fissione omolitica del PAA, i quali presentano elevata reattività nei confronti di molecole proteiche.Peracetic acid (PAA) is a strong oxidizing agent that, due to its good properties as disinfectant, has drawn increasing attention in wastewater treatments. PAA has a wide spectrum of antimicrobial activity, high effectiveness for primary and secondary effluents and it mainly decomposes into acid acetic, oxygen and water, leading to no harmful by-products in treated water. In wastewater PAA decays rapidly according to Haas and Finch kinetic model, which takes into account initial demand and decay. In order to assess the influence of organic and inorganic compounds on PAA consumption, 40 batch experiments have been carried out according to three experimental design plans (DoE). The PAA concentration was set at 2, 5 and 10 mg/L; 5 inorganics and 6 organics were selected as reference compounds based on compounds (and corresponding concentration) typically present in secondary effluents. The experiments revealed that the organics consumed immediately a considerable amount of PAA, independently from the initial PAA concentration, and consumption dropped rapidly to almost nil after 5 minutes, whereas the PAA consumption due to the inorganics was slow, depending from the initial PAA concentration and persisted until the end of the experiments (60 minutes). In detail, the inorganics (such as reduced iron and orthophosphate) have shown to be the main drivers of the exponential decay. Iron, particularly, has proved to directly consume PAA due to its catalysing capacity whereas orthophosphate has shown to mainly interact with iron, acting as chelating compound toward iron and consequently reducing the iron effect in consuming PAA. As for the organics, proteins such as, casein and peptone, have been highlighted as the main cause of the initial PAA demand, probably due to the hemolytic fission of PAA to generate peroxyl and hydroxyl radicals, which are known to have a high reactivity towards proteins
Sustainable wastewater management in buildings
No full textLAUREA MAGISTRALEIl trattamento biologico delle acque reflue è un approccio emergente per il
trattamento idrico con un potenziale per l’utilizzo nei paesi sviluppati e in
via di sviluppo, sia in ambito urbano che rurale. Questo studio analizza tre
trattamenti biologici: living machines (LM), vermifiltrazione e celle a com-
bustibile microbico per il trattamento dei reflui. Lo studio ha valutato la
quantità di acqua risparmiata e indirizzata al riuso (in base alle caratteris-
tiche chimiche del filtrato finale) e i benefici ottenuti (prodotti come fertil-
izzante ed energia elettrica) derivati dall’uso di queste forme di trattamento
in tre scenari residenziali applicabili e approssimati alle tipologie urbane es-
istenti. Lo studio ha usato le migliori soluzioni esistenti mettendole a punto
sul consumo idrico dei casi in esame, valutandone la fattibilità, di modo
da compensare e ridurre il carico generato dai reflui fognari nell’ecosistema,
minimizzare l’esborso economico dei residenti ed eliminare alcune spese come
l’acquisto di elettricità e fertilizzante.Biological wastewater treatment technologies are emerging approaches for
water treatment that has the potential for use in developed and developing
countries, whether in a rural or urban plan.This study analyzed three biologi-
cal treatments that are: Living Machines (LM), Vermifiltration and Microbial
fuel cells for the treatment of municipal wastewater. This study evaluated
the amount of water saved and redirected for reuse (based on the chemical
characteristics of the final effluent) and the generated benefits (products as
fertilizers and energy as in electrical energy) from using these forms of treat-
ment in three residential scenarios applicable and approximate to existing
urban plans.
This study used successful installations tailored to fit the water usages of
the designated plan to evaluate the applicability of this technology to offset
and reduce the burden created by wastewater on the indicated ecosystem, to
minimize the monetary expenses on the residents and eliminate some consumptive practices such as electricity and fertilizer purchasing prices
Un esempio di utilizzo di dati censurati nell'analisi del funzionamento delle centrali di potabilizzazione della città di Milano
No full textLAUREA MAGISTRALESpesso le misure di concentrazione di parametri di qualità dell’acqua risultano inferiori al limite di quantificazione (LOQ, Limit of Quantification) dello strumento di analisi e vengono classificate come censurate a sinistra: di esse si conosce solo che si trovano al di sotto di una soglia prestabilita, ma non se ne può definire la misura quantitativa. I metodi tradizionali più utilizzati per trattare questi dati sono la sostituzione semplice o l’esclusione dei dati censurati. Queste tecniche però presentano degli svantaggi, dal momento che sono tecniche invasive. Esistono altri metodi di analisi, che si basano su tecniche di survival e reliability analysis che consentono di tenere conto dell’informazione completa presente nel dataset. Questi sono: il metodo parametrico della massima verosimiglianza (MLE, Maximum Likelihood Estimation), il metodo non parametrico di Kaplan-Meier (KM) e il metodo semi-parametrico di regressione (ROS, Robust Regression on Order Statistics) (Helsel, 2012).
L’inclusione dei dati censurati nella stima della concentrazione di inquinanti permette una realistica rappresentazione della presenza di questi composti. In particolare, la necessità del trattamento corretto dei dati censurati assume importanza fondamentale per l’analisi della presenza di contaminanti emergenti; questi contaminanti sono presenti in concentrazioni molto basse, prossime al LOQ dello strumento analitico, per cui per fornire una rappresentazione veritiera della loro presenza sono necessarie adeguate tecniche di analisi.
Oggetto del presente lavoro di tesi è stata l’analisi del database di monitoraggio routinario di Metropolitana Milanese contenente cinque anni di dati (2012-2016) riferiti a sei contaminanti, tetracloroetilene (PCE), tricloroetilene (TCE), cloroformio, 2,6-diclorobenzammide (BAM), cromo totale e nitrato. I dati derivano da tre diversi punti di monitoraggio delle singole centrali di potabilizzazione: pozzi potabili, ingresso ai sistemi di trattamento e rubinetti di controllo qualità. Inoltre, è stata effettuata una campagna di analisi per la ricerca e la quantificazione di della presenza di composti perfluorurati (PFAS) nelle acque di prima falda attraverso il campionamento di 16 piezometri, in 24 pozzi delle centrali, in 40 punti agli ingressi e alle uscite dei trattamenti e in 17 rubinetti di controllo qualità.
È stata valutata la variabilità temporale della concentrazione nelle acque di falda captate dalle centrali, al fine di verificare la presenza di trend statisticamente significativi. Sono state calcolate le statistiche descrittive della distribuzione di concentrazione per ciascun inquinante in ciascun punto di campionamento considerando il set di dati nella sua totalità. Dal confronto tra i percentili delle distribuzioni è stato possibile trarre informazioni circa la gestione delle centrali. I trattamenti presenti nelle centrali di potabilizzazione risultano efficaci nella rimozione dei composti organici, come evidenziato dalle elevate efficienze di rimozione, soprattutto per il PCE (superiori al 90%). Particolare attenzione va posta nelle centrali che presentano elevate concentrazioni di cromo totale, per un possibile superamento del limite normativo sul Cr(VI). Il trend in falda del nitrato non risulta in aumento, ma sono state evidenziate le centrali che presentano concentrazioni massime prossime al limite normativo.
Dall’analisi dei composti perfluorurati è risultato che il composto più presente è l’acido perfluoroottanoico (PFOA) e che le concentrazioni più elevate si trovano nella prima falda, a suggerire una contaminazione derivante dalla presenza di industrie locali o di scambio con le acque superficiali. Le concentrazioni nelle acque captate dalle centrali risultano inferiori e il carbone attivo (GAC, Granular Activated Carbon) è un mezzo efficace per la riduzione della loro concentrazione. Le concentrazioni misurate nell’acqua potabile di Milano risultano inferiori ai limiti della Regione Veneto (D.G.R. n.168 del 20 febbraio 2014).This study shows an application of left censored data analysis techniques to environmental data. In environmental monitoring studies, concentration measurements frequently fall below detection (LOD) or quantification limits (LOQ) of measuring instruments, resulting in left-censored data. Traditional methods to process this data are simple substitution with 0, LOQ or a fraction of LOQ, or censored data deleting. These techniques, however, have some disadvantages, since they are invasive methods, since they add an invasive signal to data that was not previously there. There are other methods, based on survival and reliability analysis techniques that allow to take into account the complete information present in the dataset, which are: the parametric method of maximum likelihood, the non parametric method of Kaplan-Meier and the method semi-parametric ROS. The inclusion of the censored data in the estimation of pollutant distributions allows a realistic representation of the presence of these compounds. This study considers water quality data set from the monitoring dataset of Milan city Drinking Water Supply system. Data derive from three monitoring point: wells, entering treatments train and drinking water entering supply. Drinking water treatment in the city of Milan takes place in 28 drinking water treatment plants, which collect groundwater.
First temporal variability of groundwater dataset was assessed, in order to verify the presence of statistically significant trends. Then the cumulative distributions (CDF, Cumulative Probability Distribution) of each pollutant were evaluated. From the comparison between the curves and the percentiles of the CDF it was possible to draw information on concentration and time trends concerning the contamination in the water table of the treated water for drinking purposes and the management of plants.
From the analysis of the perfluorinated compounds it was found that the most present compound is PFOA and that the highest concentrations are found in the first layer, concentrations in the waters captured by the plants are lower and the CAG activated carbon is an effective means for reducing the concentration. Concentrations measured in drinking water are lower than temporary regulation limit, but the possible regulation for these compounds makes it more important to carry out more in-depth research
Contaminazione e rimozione di microinquinanti emergenti in acque reflue e in acque destinate al consumo umano
No full textAgent-based modelling analysis of the market penetration of fuel cell vehicles in Germany
No full textLAUREA MAGISTRALELa preoccupazione per il cambiamento climatico e il problema della sicurezza dell’approvvigionamento energetico hanno portato il governo tedesco a stabilire l’ambizioso obiettivo di coprire l’80% del consumo elettrico con le energie rinnovabili entro il 2050. A causa dei vincoli della rete elettrica e della variabilità di queste fonti, grandi quantità di energia in eccesso sarebbero presenti sulla rete se questi obiettivi fossero raggiunti. Una promettente soluzione per l’utilizzo di questa energia è la produzione d’idrogeno da usare come combustibile in veicoli fuel cell. La diffusione dei veicoli a idrogeno presenta tuttavia un ostacolo: le case automobilistiche non cominceranno a produrre veicoli fuel cell fino a quando un determinato numero di stazioni di rifornimento non comincerà a vendere idrogeno, mentre l’infrastruttura per l’idrogeno non si svilupperà finché non sarà possibile osservare un numero significativo di veicoli fuel cell sulle strade. Questo ostacolo, cosiddetto dilemma “uovo-gallina”, può essere superato con l’aiuto di politiche incentivanti. In questa tesi un modello basato su agenti è stato implementato al fine di analizzare l’effetto che una tassa sui veicoli con motore a combustione interna o un sussidio per i veicoli fuel cell, abbinati con un piano di sviluppo dell’infrastruttura per il rifornimento d’idrogeno, avrebbe sulla diffusione dei veicoli fuel cell. Analizzare questo modello aiuterà ad acquisire le conoscenze necessarie a sviluppare un’efficace politica incentivante, limitando gli effetti negativi sui consumatori e sull’industria dell’auto.Concerns about climate change and the problem of supply security of fossil fuels brought the German government to set the ambitious goal of covering 80% of the gross electricity consumption with renewables energies within 2050. Due to the fluctuating nature of these energy sources and grid limitations, large amounts of excess energy are likely to be available on the grid if this target is to be met. A promising use for this surplus energy is producing hydrogen to power fuel cell vehicles. Yet the successful introduction of this new technology is likely to present a barrier: car manufacturers will not produce fuel cell vehicles until filling stations start selling hydrogen, whereas the refuelling infrastructure will not develop unless a significant number of fuel cell vehicles on the road is observed. In order to overcome this obstacle, referred to as “chicken and egg problem”, policy is needed. In this master thesis, an agent-based model is implemented to investigate the effect that a tax on internal combustion engine vehicles or a subsidy for fuel cell vehicles, coupled with different refuelling infrastructure development programs, would have on the market penetration of fuel cell vehicles. Analysing this model will help gain deeper insights about how to design a policy to foster the diffusion of this new technology, making sure to minimise negative effects on consumers and on the automotive industry
Water indirect reuse: from an unplanned risk to a planned resource
No full textIl riutilizzo delle acque reflue recuperate per uso agricolo ha recentemente ricevuto crescente attenzione come possibile soluzione alla scarsità d'acqua in molte parti del mondo. Tuttavia, le acque reflue recuperate possono ancora contenere una grande varietà di contaminanti emergenti, i quali possono accumularsi nel terreno e nelle colture, e entrare così nella catena alimentare comportando un rischio per l'ambiente e per la salute umana. La quantificazione del rischio consiste nella determinazione del livello delle concentrazioni di esposizione rispetto alle soglie di sicurezza derivate da studi ecotossicologici. Storicamente, la determinazione delle concentrazioni di esposizione è dipesa essenzialmente dalle misurazioni. Tuttavia, il monitoraggio di migliaia di contaminanti emergenti in diversi comparti ambientali è irrealizzabile sia economicamente che fisicamente. Inoltre, le misurazioni sono discontinue nel tempo, specifiche per sito/persona e non consentono di estrapolare i livelli di contaminazione ad altri sistemi. Lo sviluppo di strumenti di modellazione affidabili può aiutare a superare queste sfide. Lo scopo di questa tesi di dottorato è quello di contribuire a colmare alcune lacune inerenti alla valutazione del rischio relativo alla diffusione di contaminanti emergenti in sistemi di riutilizzo delle acque reflue recuperate. In particolare, la tesi mira a sviluppare uno strumento di supporto alle decisioni per valutare il rischio per l’ambientale e per la salute umana delle attuali e future strategie di gestione di riutilizzo dell'acqua. Inoltre, lo strumento si propone di supportare la pianificazione di campagne di misurazione per raccogliere campioni in modo corretto, al fine di consentire una corretta valutazione della conformità con gli attuali e future standard di qualità ambientale. In questo lavoro, il sistema di riutilizzo delle acque reflue recuperate è stato considerato da cinque elementi: (i) fonti di contaminanti emergenti (ad es. città, industrie, ospedali), (ii) rete fognaria mista, (iii) impianto convenzionale di trattamento delle acque reflue, (iv) scarico in acque superficiali e (v) sistema di irrigazione. In questo contesto, modelli concettuali dinamici e deterministici (distribuiti e non), sono stati combinati con metodi statistici avanzati (es. analisi cluster, analisi di incertezza, generatori stocastici, ecc.) per sfruttare in maniera ottimale fonti di dati eterogenee (ad es. informazioni geo-referenziate, dati di consumo, ecc.) per predire le concentrazioni di esposizione di contaminanti emergenti nei comparti ambientali di riferimento (acque superficiali e colture destinate a scopo alimentare). Due scenari sono stati principalmente analizzati e quantificato il corrispettivo rischio: (i) scarico di acque reflue trattate e non (queste ultime durante eventi di pioggia) nel sistema di acque superficiali (rischio ambientale) e (ii) consumo umano di piante commestibili irrigate con acqua reflua recuperata (rischio per la salute umana).
Come primo obiettivo, è stato modellato il destino ambientale di contaminanti emergenti (ad es. farmaci, prodotti per la cura personale, ecc.) all’interno della rete fognaria. In particolare, è stato sviluppato un nuovo approccio sistematico, che combina informazioni geo-referenziate e un’analisi cluster, per identificare la struttura ottimale di un modello concettuale a bacino multiplo per simulare il destino di contaminanti emergenti in grandi contesti urbanizzati. L'approccio è stato testato in una città italiana, altamente popolata, e le prestazioni del modello sono state testate rispetto a un modello concettuale tradizionale (i.e. a bacino singolo). I risultati hanno mostrato che il modello multi-bacino migliora decisamente le predizioni in termini di stima delle concentrazioni e carichi di contaminanti emergenti in ingresso all’impianto di trattamento rispetto al modello classico.
Successivamente, è stato modificato un modello esistente (IUWS_MP), in grado di predire il destino di sostanze pericolose e prioritarie (ad es. pesticidi) nell'intero sistema integrato delle acque reflue urbane, per simulare il destino di contaminanti emergenti, quali i farmaci. Le estensioni hanno incluso processi specifici (ad es. deconiugazione) e un modello di consumo per predire il destino ambientale di alcune sostanze raramente monitorate (ad es. metaboliti e frazioni intrappolate nei solidi sospesi), affinando così la valutazione del rischio all’interno del sistema. I processi sono stati integrati utilizzando equazioni semplici (ad es. cinetiche del primo ordine per descrivere la deconiugazione) e parametri facilmente recuperabili dalla letteratura (ad es. proprietà chimico-fisiche intrinseche, dati di consumo, ecc.) al fine di ridurre al minimo la necessità di raccolta dati per la fase di calibrazione. Le previsioni del modello sono state testate in due diversi casi studio (uno italiano e uno danese) in condizioni di tempo secco per cinque sostanze farmaceutiche ad alto consumo (carbamazepina, diclofenac, ibuprofene, furosemide e paracetamolo). Le previsioni di concentrazioni sono state in linea con le misurazioni in vari punti del sistema (ad es. ingresso e uscita dell’impianto di trattamento), mostrando un’adeguata fase di validazione. Le possibili implicazioni del modello includono: (i) l'identificazione di potenziali rischi ambientali dovuti alla non conformità con i limiti attuali e futuri in vari punti del sistema e (ii) la valutazione di diverse strategie di controllo per la riduzione dei rischi ambientali.
Successivamente, il destino di sostanze farmaceutiche è stato valutato in condizioni di pioggia per: (i) valutare l'impatto di eventuali scarichi fognari non trattati in acque superficiali e (ii) identificare strategie di campionamento ottimali (tipo di campione composito, frequenza e durata del campione composito) al fine di ottenere campionamenti il più precisi possibile. In particolare, un modello dinamico distribuito è stato accoppiato con un generatore stocastico per poter simulare dinamiche realistiche di concertazioni all’interno del sistema fognario. In particolare il modello utilizza dati di censimento e geo-referenziati (ad es. numero di persone per famiglia, età e sesso, posizione delle abitazioni) come variabili proxy di informazioni sconosciute/riservate (ad es. posizione della persona che assume un determinato farmaco, posologia prescritta), permettendo di sfruttare diversi tipi di dati disponibili. La capacità previsionale del modello è stata testata in un piccolo bacino svizzero, dove erano disponibili misurazioni ad alta frequenza di diclofenac durante diversi eventi di pioggia. I risultati hanno mostrato una buona corrispondenza tra previsioni del modello e misurazioni. Il modello è stato quindi utilizzato per predire le concentrazioni di diclofenac in punti di scarico in acque superficiali durante eventi di pioggia. I risultati hanno evidenziato che le concentrazioni di diclofenac possono superare lo standard di qualità all’interno della fognatura, comportando un possibile rischio cronico per l'ambiente qualora la capacità di diluzione del fiume non sia ottimale. Le simulazioni hanno anche mostrato che la modalità di campionamento di tipo proporzionale al flusso, e con frequenza di 2-5 minuti, è il modo più appropriato per campionare la maggior parte del carico di diclofenac che viene scaricato in ambiente.
Infine, il modello modificato IUWS_MP è stato combinato con un modello dinamico in grado di predire l’assorbimento di contaminanti emergenti all’interno delle colture. Il modello è stato testato in un sistema di riuso in cui l’acqua reflua recuperata viene scaricata in un canale e successivamente usata per irrigare un'area con diversi tipi di colture. Il destino ambientale di tredici contaminanti emergenti (claritromicina, sulfametossazolo, diclofenac, ibuprofene, paracetamolo, carbamazepina, furosemide, 17α-etinilestradiolo, 17β-estradiolo, estrone, perfluoroottanoico, perfluorone e perfluorocano) è stato simulato. Le previsioni del modello sono state verificate con misure in situ e non, ed è stata effettuata un’analisi di rischio. Mentre per la maggior parte dei contaminanti è stato previsto un rischio trascurabile sia per l’ambiente che per la salute umana, per sulfametossazolo e 17α-etinilestradiolo è emerso un rischio non trascurabile per l’uomo. Il modello è stato poi utilizzato per verificare l’efficacia dei trattamenti convenzionali e diverse pratiche di irrigazione come barriera per ridurre il rischio associato ai contaminanti emergenti simulati.Reuse of reclaimed wastewater (RWW) in agriculture has recently received increasing attention as a possible solution to water scarcity in many parts of the world. However, RWW can still contains a large variety of contaminants of emerging concern (CECs), which can seep into the soil and enter into the food chain through uptake of edible plants, posing a risk to the environment and human health. Quantification of the risk consists of understanding the level of exposure concentrations with respect to safety thresholds derived from ecotoxicological studies. Historically, determination of exposure concentrations depended essentially on measurements. However, the monitoring of thousands of CECs in different environmental compartments is unfeasible (both economically and physically). Moreover, measurements are discontinuous in-time, site/person-specific and do not allow extrapolating contamination levels to others systems. Developing of reliable modelling tools can help to overcome these challenges.
The purpose of this PhD thesis is to contribute to filling the knowledge gaps in the field of risk assessment related to spread of CECs in RWW reuse systems. Specifically, the thesis aims at developing a modelling framework capable of supporting policy-makers to assess the environmental and human health risk of current and future water reuse management strategies. Moreover, the framework is indented for the planning of measuring campaigns to collect samples with high representativeness in order to allow a proper evaluation of compliance with current and forthcoming standards. In this work, the RWW reuse system was considered as made of 5 elements: (i) CECs sources (e.g. cities, industries, hospitals), (ii) combined sewer network, (iii) conventional wastewater treatment plant (WWTP), (iv) surface water and (v) irrigation system. Within this framework, dynamic deterministic conceptual models (both lump and distributed), have been combined with advanced statistical methods (i.e. cluster analysis, uncertainty analysis, stochastic generators, etc.) to make the best use of heterogeneous data sources (e.g. georeferenced information, sales data, etc.) to predict CECs exposure concentrations in target environmental compartments (surface water and edible plant organs). Risk assessment was mainly investigated due to: discharge of treated and untreated wastewater (during rain events) into receiving water system (i.e. environmental risk) and, (ii) human consumption of contaminated edible plants irrigated with RWW (i.e. human health risk).
The fate of down-the-drain CECs (e.g. pharmaceutical active compounds - PhACs, personal care products, etc.) from emission sources to the WWTP was first investigated. Within this context, a new systematic approach, combining GIS-based information and a Gaussian mixture model, was developed to identify the optimal structure of a multi-catchment conceptual model to simulate the fate of CECs in large urban catchments. The approach was tested in a catchment located in a highly urbanized Italian city and model performance compared against a traditional single-catchment conceptual model. Results showed that the multi-catchment model allows for a successful simulation of dry weather flow patterns and for an improved simulation of CECs fate compared to the classical single-catchment model.
Secondly, an existing micropollutants fate model library (IUWS_MP) was extended to simulate the fate of PhACs with different properties across the whole Integrated Urban Wastewater and Stormwater systems (IUWS – drainage systems, wastewater treatment plants, receiving water bodies). Extensions included specific PhACs fate processes (deconjugation) and a consumption-excretion model to allow simulation of seldom monitored PhAC fractions (e.g. metabolites and fractions entrapped within the faecal matter) along the whole system, thus refining fate and risk assessment in RWW system. PhACs process descriptions was based on simple equations (e.g. first-order kinetics rates to describe deconjugation) and easily retrievable input-parameters (e.g. inherent chemical-physical properties, consumption data, etc.) to minimize the need of data collection for model calibration (except for validation). Model predictions were tested in two different real case studies (i.e. Italian and Danish ones) under dry-weather conditions for 5 highly-consumed PhACs (i.e. carbamazepine, diclofenac, ibuprofen, furosemide and paracetamol). Predictions showed good agreements with measurements at various comparison points (e.g. WWTP inlet and outlet). Possible model implications included: (i) identification of potential environmental risks due to non-compliance of PhACs with existing or proposed environmental quality standards at the WWTP/sewer outlet and (ii) evaluation of the effects of different control strategies in reducing risks for the aquatic environment.
Then, the fate of PhACs under wet weather conditions was assessed to: (i) evaluate the impact of combined sewer overflows (CSOs) on surface water streams and (ii) identify optimal sampling strategies (i.e. type of composite, frequency and duration) to sample CSO concentration as much representative as possible. Specifically, a dynamic distributed model was coupled with stochastic PhAC loads generator to make the best use of census and georeferenced data (e.g. number of people per household, age and sex, house location) as proxy variables of unknown/confidential information (e.g., location of the person taking a certain drug, prescribed posology) to simulate realistic PhACs dynamics in sewer systems. Model prediction capabilities were tested in a small Swiss catchment where high-frequency measurements for diclofenac were available during wet-weather conditions. Results showed a proper match between model predictions and measurements. The model was then used to predict diclofenac concentrations at the CSO location during different rain events. Results highlighted that diclofenac concentrations can exceed the quality standard (i.e. the chronic standard was used since an acute standard is not available yet) in the sewage flow discharging to the water stream, posing a risk for the environment. Simulations also showed that flow-proportional mode with a high sampling frequency (2-5 minutes) is the most appropriate way to capture most of the diclofenac load passing through the CSO structure.
Lastly, the extended IUWS_MP was coupled with a dynamic plant uptake model to predict the fate of CECs beyond wastewater treatments. The modelled system included a discharge channel and cultivation area where four different types of crops were irrigated with RWW. The model showed capability and flexibility in describing the fate of 13 CECs (clarithromycin, sulfamethoxazole, diclofenac, ibuprofen, paracetamol, carbamazepine, furosemide, 17α- ethinylestradiol, 17β-estradiol, estrone, perfluorooctanoic acid, perfluorooctane sulfonate and triclosan), covering a wide range of physicochemical properties, across different compartments and over long-time intervals. Model predictions were generally verified with measured data, thus allowing for the evaluation of ecological and human health risk. A negligible risk was predicted for most CECs, while sulfamethoxazole and 17α-ethinylestradiol exhibited the highest risk for consumers. Model predictions identified conventional wastewater treatments as an efficient barrier to reduce the overall risk of simulated CECs, although further reduction can be obtained by adopting more efficient irrigation practices.DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA CIVILE E AMBIENTALEEnvironmental and Hydraulic Engineering and Geomatics32MALPEI, FRANCESCABARZAGHI, RICCARD
