Development of a quantitative risk assessment procedure for the optimization of drinking water supply systems

Contaminants of Emerging Concern (CECs) occurrence in raw water is of rising interest and the scientific community is increasingly focusing on evaluating their occurrence, fate during the treatment process and effects on human health, to promote risk-based approaches for the drinking water facilities management. For chemicals, a deterministic chemical risk assessment (CRA) procedure is typically used, while for microorganisms occurrence in water a quantitative microbial risk assessment (QMRA) procedure for the probabilistic estimation of the health risks was developed; thus, the purpose of this study is to adapt the QMRA methodology, developing a quantitative chemical risk assessment (QCRA) procedure, to assess the risk related to CECs and its associated uncertainty. The developed procedure considers the probabilistic distribution of CECs concentration in the source waters, provides a predictive model of CECs fate in drinking water treatment plants (DWTPs) by considering the adsorption on granular activated carbon (GAC) as treatment process, and evaluates the CECs health effect, in order to estimate the quantitative health risks related to treated drinking water quality. The QCRA procedure quantitatively estimates the distribution of a risk index: the Benchmark Quotient (BQ), and it provides an additional information besides its value, namely the probability of exceeding BQ threshold value (BQ=1), that corresponds to the probability of a hazardous event. The model inputs variability and the resulting model outcome uncertainty were evaluated by implementing, for each step of the risk assessment, statistical modelling techniques such as sensitivity and uncertainty analyses aimed at identifying the most relevant factors affecting the BQ output. Thus, the dominant factors resulted to be water source inlet CECs concentration, GAC isotherm model parameters and toxicological data. The QCRA procedure was applied to several case studies on bisphenol A and perfluorinated alkylated substances in drinking water, resulting effective in the interventions prioritization for the DWTP system optimization and turned out to be more precautionary with respect to the CRA.

La presenza di Contaminanti Emergenti (CE) nelle acque naturali è fonte di crescente preoccupazione e la ricerca scientifica si sta concentrando sempre più sullo studio della loro presenza nelle fonti di approvvigionamento, del destino durante il processo di trattamento e degli effetti sulla salute, per promuovere approcci basati sul rischio per la salute per la gestione del trattamento delle acque potabili. Per le sostanze chimiche presenti nelle acque, esiste una procedura deterministica di valutazione del rischio chimico (CRA), mentre per i microrganismi è presente una procedura di valutazione quantitativa del rischio microbico (QMRA) che stima il rischio in modo probabilistico; pertanto, lo scopo di questo lavoro è di adattare la metodologia QMRA, sviluppando una procedura quantitativa di valutazione del rischio chimico (QCRA), per valutare il rischio, e l’incertezza associata, relativi ai CE. La QCRA considera la distribuzione probabilistica della concentrazione di CE nelle fonti di approvvigionamento, simula il trattamento considerando l'adsorbimento su carbone attivo granulare (GAC), e valuta l’effetto sulla salute, per stimare quantitativamente il rischio legato alla qualità dell'acqua potabile trattata. Questa procedura determina in modo probabilistico la distribuzione di un fattore di rischio (BQ) fornendo informazioni sulla probabilità di superare il valore di soglia di BQ = 1, corrispondente alla probabilità di un evento pericoloso per la salute. La variabilità e l’incertezza degli input considerati sono state valutate applicando, per ogni fase della valutazione del rischio, tecniche di modellizzazione statistica quali analisi di sensibilità e di incertezza per identificare i fattori più rilevanti che influenzano il BQ. I fattori dominanti risultanti sono: la concentrazione iniziale di CE, i parametri del modello di isoterme per il GAC e i parametri tossicologici. La QCRA è stata applicata a diversi casi studio su bisfenolo A e sostanze perfluoroalchiliche nelle acque potabili, risultando efficace nella prioritizzazione degli interventi per l'ottimizzazione del trattamento delle acque potabili e rivelandosi più cautelativa rispetto alla CRA.