Non-deterministic modeling of wastewater disinfection by peracetic acid

Peracetic acid (PAA) is a wide spectrum disinfectant agent which has been pointed out as a valuable option for wastewater treatment in recent years. The main criticism in PAA disinfection lays in natural loss of reactant occurring in water after the dosage. In detail, PAA is affected by an almost instantaneous oxidative consumption followed by a gradual decay. This loss of disinfectant is strictly dependent on the quality of the secondary effluent to be treated and especially on organic and metal content. Consequently, the wide uncertainty characterizing wastewater quality, even after primary settling and biological treatment, should be considered when designing or verifying the PAA dosage to comply with a certain discharge limit. In this work, a non-deterministic integrated disinfection design framework has been developed in order to model input wastewater uncertainty both in terms of quantity and quality and estimating the impact of this uncertainty on disinfection performance, for a given PAA dosage. Two stochastic empirical models for wastewater flow rate and PAA decay and inactivation kinetic parameters have been built, relying on observed flow rate time series and batch experiments results available in literature. The non-deterministic approach has proved to give the advantage of defining the PAA dosage on the basis of an acceptable risk, instead of managing the uncertainty by means of blind safety factors. Moreover, the availability of a stochastic framework has allowed a global sensitivity analysis, which has revealed the dominant role of kinetic parameters linked to wastewater suspended solids and organic content. Experiments have been carried out in order to explore further the reasons of the loss of PAA in wastewater and investigate how the PAA dosage impacts on the disinfectant loss due to oxidative demand. PAA has demonstrated to behave as limiting factor in the oxidation reactions when water is rich in organics, suggesting that in such conditions the more disinfectant is dosed, the more is lost.

L’acido peracetico è un disinfettante ad ampio spettro che negli ultimi anni si è dimostrato una valida opzione per il trattamento delle acque di rifiuto. La sua principale criticità risiede nella naturale perdita di reagente una volta dosato. In particolare, l’acido peracetico subisce un consumo ossidativo quasi istantaneo seguito da un graduale decadimento. La perdita di disinfettante è strettamente dipendente dalla qualità dell’effluente secondario da trattare e in particolare dal contenuto di composti organici e metalli. Di conseguenza, l’elevata incertezza che caratterizza la qualità del refluo, anche dopo sedimentazione primaria e trattamento biologico, dovrebbe essere considerata nel progetto e nella verifica del dosaggio di acido peracetico necessario a soddisfare un determinato limite allo scarico. In questo lavoro, è stato sviluppato un framework modellistico integrato non deterministico al fine di descrivere la variabilità dell’acqua di rifiuto in ingresso alla fase di disinfezione, sia in termini di quantità che di qualità, e di stimare l’impatto di tale incertezza sull’efficienza di disinfezione, per un dato dosaggio. Sono stati costruiti due modelli empirici stocastici per simulare la portata di refluo e i parametri cinetici di decadimento dell’acido peracetico e di inattivazione batterica, basandosi sulle serie temporali di portata osservate presso l’impianto di Milano Nosedo e su esperimenti in batch a scala di laboratorio presenti in letteratura. L’approccio non deterministico ha dimostrato di offrire il vantaggio di poter definire il dosaggio sulla base di un rischio accettabile, invece di gestire l’incertezza attraverso fattori di sicurezza a priori. Inoltre, il framework ha permesso un’analisi di sensitività globale, che ha rivelato il ruolo prevalente dei parametri cinetici connessi al contenuto di solidi sospesi e composti organici. E’ stata infine condotta un’attività sperimentale finalizzata ad analizzare più approfonditamente le cause della perdita di acido peracetico nel refluo e a capire se e come il dosaggio del disinfettante impatti sulla perdita dovuta a consumo ossidativo. Si è osservato come l’acido peracetico costituisca il fattore limitante nelle reazioni di ossidazione quando l’acqua è ricca in composti organici, suggerendo che, in tali condizioni, tanto più disinfettante viene dosato, tanto più ne viene perso.