Modellazione e validazione a scala pilota della disinfezione di acque reflue con acido peracetico

Peracetic acid (PAA) is a wide-spectrum disinfectant agent which since the 2000s has been pointed out as a valuable option to wastewater disinfection with chlorine-derivatives for its effectiveness, negligible ecotoxicity, and poor production of disinfection by-products. The main criticism of PAA is the natural decay that occurs after dosing in water. Specifically, the disinfectant undergoes an instant oxidative consumption followed by a gradual decline over time. The decay of the disinfectant and the inactivation efficiency are strictly dependent on the quality of the treated aqueous matrix. The disinfection efficiency is also influenced by the hydrodynamic properties of the contact tanks, which can significantly differ from ideality. The present study proposes a modeling approach capable of predicting the concentrations of residual PAA, E. coli and Total Coliforms resulting from a disinfection process of civil wastewater, taking into account the impact that water quality and transiting flow have, respectively, on the disinfection kinetics and on the hydrodynamic behavior of the system. The model was calibrated and validated on the case study of the effluent of the treatment plant located in Peschiera Borromeo. The work involved an initial investigation of PAA decay kinetics and microbial inactivation as the quality characteristics of civil waste are changed through batch experiments in the laboratory. Subsequently, a pilot-scale study was conducted which envisaged: (i) hydraulic characterization of the disinfection tank by means of tracer tests at different flow rates; (ii) tests of microbial inactivation at different PAA concentrations. The decay resulted correlated with the turbidity, the dissolved organic substance and the initial concentration of PAA by linear model, while the inactivation kinetics depends on the initial concentration of bacteria present in the wastewater. The hydrodynamics of the pilot tank has been described as a combination of Tank-In-Series models and the relationship between the model parameters and the flow rate has been identified. These results have been integrated into the "Integrated Disinfection Design Framework" (IDDF) approach, proposing a modified version capable of taking into account the impact of the variability of decay kinetics and hydrodynamic behavior. The validation results of the model showed that the new modified IDDF approach has a significantly higher forecast yield compared to the traditional approach.

L’acido peracetico (PAA) è un disinfettante ad ampio spettro che a partire dagli anni 2000 è stato sempre più utilizzato, in abito di acque reflue, come valida alternativa alla disinfezione tramite cloro-derivati per la sua efficacia, per la ecotossicità trascurabile e per la scarsa produzione di sottoprodotti di disinfezione. La principale criticità del PAA è il decadimento naturale che avviene dopo il dosaggio in acqua. Nello specifico, il disinfettante subisce un consumo ossidativo istantaneo seguito da un decadimento graduale nel tempo. Il decadimento del disinfettante e l’efficienza di inattivazione sono strettamente dipendenti dalla qualità della matrice acquosa trattata. L’efficienza di disinfezione è influenzata anche dalle proprietà idrodinamiche delle vasche di contatto, che possono discostarsi significativamente dall’idealità. Il presente studio propone un approccio modellistico in grado di prevedere le concentrazioni di PAA residuo, E. coli e Coliformi Totali risultanti da un processo di disinfezione di reflui civili, tenendo conto dell’impatto che la qualità dell’acqua e la portata transitante hanno, rispettivamente, sulle cinetiche di disinfezione e sul comportamento idrodinamico del sistema. Il modello è stato calibrato e validato sul caso di studio dell’effluente dell’impianto di depurazione situato a Peschiera Borromeo. Il lavoro ha previsto una prima indagine delle cinetiche di decadimento del PAA e di inattivazione microbica al variare delle caratteristiche qualitative del refluo civile tramite esperimenti in batch in laboratorio. Successivamente è stato condotto uno studio a scala pilota che ha previsto: (i) caratterizzazione idraulica della vasca di disinfezione tramite prove di tracciante a diverse portate; (ii) prove di inattivazione microbica a diverse concentrazioni di PAA. Il decadimento è risultato correlato con la torbidità, la sostanza organica disciolta e la concentrazione iniziale di PAA tramite modello lineare, mentre la cinetica di inattivazione dipende dalla concentrazione iniziale di batteri presente nel refluo. L’idrodinamica della vasca pilota è stata descritta come combinazione di modelli Tank-In-Series ed è stata individuata la relazione tra i parametri del modello e la portata transitante. Tali risultati sono stati integrati nell’ approccio “Integrated Disinfection Design Framework” (IDDF), proponendone una versione modificata in grado di tenere conto dell’influenza della variabilità delle cinetiche di decadimento e dei comportamenti idrodinamici. I risultati di validazione del modello hanno dimostrato che il nuovo approccio IDDF modificato ha una resa previsionale significativamente superiore rispetto all’approccio tradizionale.