Advanced methods for the support of planning, design and management of drinking water supply systems

Planning, design and management of a drinking water supply (DWS) system in industrialized and densely populated urban areas deals with a high degree of complexity. Its optimization is therefore a hard task, which can take advantage from the application of specific support tools. However the application of the appropriate tools to support DWS managers is not a well-established practice, being support tools mainly reported in literature to develop participatory process for intervention planning or for research applications. The DWS system of Milan city has been here considered as case study. Appropriate tools have been suggested and evaluated for the support of three main tasks of water treatment planning design and management: the analysis of water quality data, the design of a treatment unit and the interpretation of pilot scale tests. Firstly, multivariate statistic tools, typically applied only for water quality characterization with a poor interpretation of results, have been applied on a huge water quality database (almost 100 parameters monitored in more than 500 supply wells for 6 years): indications for the optimization of water quality monitoring plan, source water exploitation and treatment train planning have been derived, proving the effectiveness of this approach, also from the point of view of cost minimisation. Secondly, two different methods of Multi-Objective Optimization (MOO) have been compared for the optimization of the design of a biofilter for heterotrophic denitrification of groundwater: an evolutionary algorithm derived from NSGA-II (Non-dominated Sorting Genetic Algorithm-II) and an interactive method called NIMBUS. The specific MOO problem has been formulated considering environmental, economic and technical conflicting objectives, and it has been solved highlighting strength and weaknesses of both MOO methods. The optimal design solution obtained by the most suitable MOO method has been then positively validated based on experimental data from a pilot scale denitrifying biofilter. Finally, these data have been interpreted to verify the feasibility of an heterotrophic denitrification process fed on a groundwater contaminated by NO3, pesticides and volatile organic compounds, assessing the influence of some operating and design parameters. A simplified simulation model has been formulated to overcome complexity usually associated to biofilm models. An Activated Sludge Model has been adapted for the simulation of the attached biomass process and a 2-step denitrification; thus a specific hydraulic model, particulate retention model and biological model were formulated. Kinetic parameters were calibrated and from their validation, indications for model improvement have been suggested.

In aree urbane industrializzate e densamente popolate, la pianificazione, progettazione e gestione di un sistema di approvvigionamento di acqua potabile deve affrontare un elevato grado di complessità. La sua ottimizzazione è quindi un compito complesso, che può trarre vantaggio dall’applicazione di specifici strumenti di supporto alle decisioni. Tuttavia, l’applicazione di strumenti appropriati da parte di responsabili di sistemi di approvvigionamento idrico non è una prassi consolidata, in quanto l’applicazione di strumenti di supporto alle decisioni è riportata in letteratura principalmente per attività di ricerca o nello sviluppo di processi partecipativi volti alla pianificazione di interventi. Nella presente tesi, il sistema di approvvigionamento idrico della città di Milano è stato considerato come caso di studio. Strumenti appropriati sono stati suggeriti e valutati a supporto di tre fasi fondamentali della pianificazione, progettazione e gestione di sistemi di trattamento delle acque: l’analisi di dati di qualità dell’acqua, la progettazione di un’unità di trattamento e l’interpretazione di test a scala pilota. In primo luogo, strumenti di statistica multivariata sono stati applicati ad un database di dati di qualità dell’acqua di dimensioni elevate (circa 100 parametri, monitorati in più di 500 pozzi di approvvigionamento per 6 anni). Tali strumenti sono tipicamente applicati per la sola caratterizzazione della qualità dell’acqua e con una scarsa interpretazione dei risultati. Tuttavia, nel presente lavoro, sono state ottenute indicazioni riguardo l’ottimizzazione del piano di monitoraggio della qualità dell’acqua, dello sfruttamento della risorsa idrica e della pianificazione delle linee di trattamento. L’efficacia dell’approccio proposto è stata quindi dimostrata, anche dal punto di vista della minimizzazione dei costi. In secondo luogo, due differenti metodi di ottimizzazione multi-obiettivo sono stati confrontati per l’ottimizzazione del design di un biofiltro per la denitrificazione eterotrofa di acqua di falda: un algoritmo evolutivo derivato da NSGA-II (Non-dominated Sorting Genetic Algorithm-II) ed un metodo interattivo chiamato NIMBUS. Il problema di ottimizzazione specifico è stato formulato considerando obiettivi ambientali, economici e tecnici, tra loro in conflitto, ed è stato risolto evidenziando punti di forza e debolezza di entrambi i metodi considerati. La soluzione di design ottenuta dal metodo più adatto è stata quindi positivamente validata sulla base di dati sperimentali ottenuti mediante sperimentazione a scala pilota di un biofiltro di denitrificazione. Infine, questi dati sono stati interpretati per verificare la fattibilità di un processo di denitrificazione eterotrofa su un’acqua di falda contaminata da NO3, pesticidi e composti organici volatili, valutando l’influenza di alcuni parametri operativi e di design. Un modello di simulazione semplificato è stato formulato allo scopo di superare i problemi solitamente associati ai modelli a biofilm. Un modello a fanghi attivi è stato adattato alla simulazione di un processo a biomassa adesa e di una denitrificazione a due step; sono stati quindi formulati uno specifico modello idraulico, di ritenzione del particolato e dei processi biologici. I parametri cinetici sono stati calibrati e dalla loro validazione, sono state suggerite indicazioni per il miglioramento del modello.