Micropollutants risk assessment in the context of wastewater reuse for irrigation : a modeling approach

Direct reuse of reclaimed wastewater (RW) in agriculture has received more attention due to water scarcity, but the presence of micropollutants (MPs) in RWs is critical as these chemicals can be uptaken in the irrigated crops and harms human health. The goal of this work was to develop an integrated model to predict the risk connected with ingestion of food contaminated with MPs due to the irrigation with RW. A surface water model and a coupled soil-plant model were respectively used to predict the fate of MPs in surface water and to estimate the uptake in crops after irrigation. Such integrated models were applied to evaluate the human health risk due to the reuse of the RW originating from wastewater treatment plants (WWTPs). The developed models were validated on a case study, namely the Nosedo WWTP, and the downstream agricultural area, where RW are used to irrigate silage maize, rice, wheat and ryegrass. The sensitivity of both models was assessed to aid calibration and parameters literature research. Successively, uncertainty analyses were used to propagate parameters uncertainty. The predicted MPs concentrations in the discharge canal showed fair agreement with respect to available measurements. The ecotoxicity of certain MPs persisted after 11 km from the WWTP due to the limited attenuation. Prediction of plant uptake of MPs from soils showed good agreement with literature values presenting higher uptake in leaves than grains, even though high uncertainties were found for weakly acidic MPs. The human health risk due to the ingestion of wheat and rice was assessed through the threshold of toxicological concern and hazard quotient. Both approaches predicted negligible risk for most of the MPs. The MPs with the highest predicted risk were sulfamethoxazole and 17-α ethinylestradiol. Two strategies for human health risk reduction were assessed, a no-irrigation period before harvest and a more efficient irrigation, observing the higher efficiency of the second option with respect to the first one.

L’uso diretto di acque reflue depurate (RD) in agricoltura suscita crescente interesse per la sempre maggior scarsità idrica. D’altro canto, la presenza di microcontaminanti (MPs) in RD è critica, potendo venir accumulati nelle colture irrigate con RD con effetti negativi sulla salute umana. L’obiettivo di questo lavoro è stato lo sviluppo di un modello integrato per prevedere il rischio per la salute umana dato dall’ingestione di cibo contaminato da MPs a causa dell’irrigazione con RD. Sono stati utilizzati un modello fluviale e un modello suolo-pianta per stimare il destino degli MPs in corsi d’acqua e il loro accumulo nelle colture. Ciò è servito poi per valutare il rischio per la salute umana causato dal riuso di RD da impianti di trattamento. Questo modello integrato è stato applicato a un caso di studio: il depuratore di Nosedo e l’area agricola a valle, caratterizzata da mais da insilato, riso, frumento e loglio. Sono state condotte analisi di sensitività e di incertezza per supportare la calibrazione e la ricerca dei parametri in letteratura e, successivamente, propagarne l’incertezza. Le concentrazioni degli MPs nel canale Vettabbia hanno mostrato buon accordo con le misure disponibili. Alcuni degli MPs studiati hanno mantenuto la loro ecotossicità a 11 km dal depuratore per la limitata attenuazione. Le previsioni di accumulo degli MPs nelle colture sono risultate in accordo con i valori di letteratura mostrando maggior accumulo nelle foglie che nei grani, anche se si sono rilevate elevate incertezze per gli MPs con comportamento debolmente acido. Il rischio per la salute umana dato dall’ingestione di frumento e riso è stato valutato tramite i metodi della soglia di allarme tossicologico e il quoziente di rischio. Entrambi gli approcci hanno predetto un rischio trascurabile per la maggior parte degli MPs. Gli MPs caratterizzati dal rischio maggiore sono il sulfametossazolo e l’etinilestradiolo. Infine, è stato simulato l’effetto di due strategie di controllo del rischio, un periodo di non irrigazione prima del raccolto e l’utilizzo di un sistema di irrigazione più efficiente, osservando che la maggior efficacia della seconda rispetto alla prima.