A risk-based approach for contaminants of emerging concern in drinking water production and distribution chain

The revision of the European drinking water (DW) Directive has introduced some contaminants of emerging concern (CECs) among the list of monitored parameters and highlighting the importance of the analysis of materials in contact with DW. Above all, these revisions are a direct consequence of the shift of the “drinking water production” paradigm promoted by the EU Directive. In fact, it designs a general framework in which the conventional approach, based on controlling the exceedance of regulation limits, is enslaved to a wider approach based on human health risk minimization throughout the whole supply system (from source to tap). Quantification of the risk consists of understanding the level of exposure concentrations with respect to health-based guideline levels derived from toxicological studies. However, the use of a risk-based approach is not easy to be achieved for CECs due to several knowledge gaps. In particular, it is difficult to evaluate CECs exposure levels in DW, firstly because of their low concentrations compared to the LOQ (Limit of Quantification) values of the analytical methods, which are in continuous refining; this results in monitoring databases characterized by high percentages of censored data, i.e. data below the LOQ. Moreover, uncertain estimation of CECs exposure levels in DW is also due to a lack of consolidated engineering knowledge about their fate throughout treatment processes in drinking water treatment plants (DWTPs) and in drinking water distribution networks (DWDNs). Finally, high uncertainty is related also to CECs toxicity that hinders the prioritization of CECs to be included in the regulations and also the limit to be proposed. The goal of this PhD project is to contribute to fill the knowledge gaps in the field of risk assessment related to the spread of CECs in DW supply systems, providing effective tools for supporting water utilities in managing a reliable water supply system and decision-makers in CECs regulation prioritization. Specifically, the DW supply system was considered as made of 4 elements: (i) DW sources (e.g. groundwater, surface water), (ii) drinking water treatment plant, (iii) drinking water distribution network and (iv) point of use (i.e. the consumer’s tap). Within this framework, lab-scale experiments have been combined with full-scale monitoring, development of predictive models and risk assessment procedures, and advanced statistical methods (i.e. sensitivity analysis, uncertainty analysis, factorial analysis, cluster analysis, etc.), to apportion the contribution of each element of the DW supply system in determining human health risk, in order to prioritize the interventions in view of an overall risk minimization. Firstly, an advanced approach, based on Maximum Likelihood Estimation method for left-censored data (MLELC), was compared with the traditional methods used to handle censored data, that are their elimination or substitution with a value between 0 and LOQ. These methods have been applied on full-scale monitoring data of several micropollutants in samples collected throughout the whole DW supply system in a highly urbanized Italian area. Results demonstrated the benefits of MLELC method compared to the traditional ones, especially for high percentages of censored data, not only in terms of more accurate fit of concentration statistical distribution, but also in three data analysis applications, that are the estimation of concentrations time trend in source water, treatment removal efficiency and human health risk. Secondly, a new probabilistic procedure, that is a quantitative chemical risk assessment (QCRA), was developed to assess human health risk related to the occurrence of CECs in DW, including all the uncertainties related to both exposure and hazard assessments. The QCRA quantifies the risk in terms of benchmark quotient probabilistic distribution, from estimated CECs concentration in DW, simulating source water treatment by granular activated carbon (GAC). Sensitivity and uncertainty analyses were performed to identify main factors affecting risk estimation, highlighting future research needs and directions, to improve reliability of risk assessment. QCRA was applied to bisphenol A as an example CEC and various GAC management options (intervention scenario). This demonstrated that QCRA is more effective than deterministic CRA, in evaluating the effect of each scenario in risk minimization, permitting to select and prioritize the most appropriate interventions. Since based on the QCRA outputs, it was found that modelling of GAC breakthrough curves has a relevant role in the accuracy of risk estimation, experimental work has been performed to more accurately model GAC performance towards CECs, in particular perfluoroalkyl substances (PFAS) and pharmaceutical active compounds (PhACs). GACs were tested by equilibrium batch experiments, providing isotherms, and rapid small-scale column tests (RSSCT), to calibrate CECs breakthrough curves. These studies were performed on 8 PFAS and 8 PhACs in 3 water matrices, that are tap water and two synthetic matrices at lower dissolved organic carbon (DOC) and two levels of conductivity. In addition, 4 commercial GACs were tested, differing for origin, micro- and mesoporous structure and surface charge. Finally, full-scale data collected through a monitoring campaign on PFAS were used for model validation. CECs removal was confirmed to rely on compounds hydrophobicity; GAC surface charge was demonstrated to have more influence than its porosity. Moreover, the interaction between CEC hydrophobicity and GAC porosity was found to have significant effect on performance. Finally, a correlation was found between the removal of the absorbance of UV at 254 nm and CECs removal, that was not dependent on the activated carbon nor the water matrix, but it was found to depend on the test scale. Finally, potential recontamination events in the DWDN were studied with particular focus on BPA release from epoxy resins used to renovate pipelines. Lab migration tests were performed on three epoxy resins and designed with the Design of Experiments (DoE) method in order to build a BPA release model as a function of water chlorine concentration and chemical stability. BPA release over time was well described by the combination of two first-order kinetic models, where the first describes the release of free BPA due to incomplete polymerization and the second describes BPA release due to resins’ deterioration. The calibrated BPA release model was combined with the hydraulic model of a highly urbanized Italian area, through EPANET MSX. The model allowed to simulate the current fate of BPA in the DWDN, identifying the most vulnerable areas; as a consequence, the combined model can be adopted to optimize monitoring and intervention plans, which can be site-specific customized to minimize the human health risk.

La revisione della Direttiva Europea sull'acqua potabile ha introdotto alcuni contaminanti emergenti (CEC) tra l'elenco dei parametri monitorati, evidenziando l'importanza dell'analisi dei materiali a contatto con l’acqua. Soprattutto, queste revisioni sono una diretta conseguenza del cambiamento del paradigma della “produzione di acqua potabile” promosso dalla Direttiva UE. Infatti, essa progetta un quadro generale in cui l'approccio convenzionale, basato sul controllo del superamento dei limiti di legge, è asservito a un approccio più ampio basato sulla minimizzazione del rischio per la salute umana attraverso l'intero sistema di approvvigionamento (dalla fonte alla presa). La quantificazione del rischio consiste nella comprensione del livello delle concentrazioni di esposizione rispetto ai livelli di linee guida basati sull’effetto sulla salute umana derivati da studi tossicologici. Tuttavia, l'uso di un approccio basato sul rischio non è facile da ottenere per i CEC a causa di numerose lacune di conoscenza. In particolare, è difficile valutare i livelli di esposizione dei CEC in acqua potabile, in primo luogo a causa delle loro basse concentrazioni rispetto ai valori LOQ (limite di quantificazione) dei metodi analitici, che sono in continuo miglioramento; ciò si traduce in database di monitoraggio caratterizzati da alte percentuali di dati censurati, ovvero dati al di sotto del LOQ. Inoltre, la stima incerta dei livelli di esposizione dei CEC in acqua potabile è anche dovuta alla mancanza di conoscenze ingegneristiche consolidate sul loro destino durante i processi di trattamento negli impianti di trattamento dell'acqua potabile (DWTP) e nelle reti di distribuzione dell'acqua potabile (DWDN). Infine, l'elevata incertezza è correlata anche alla tossicità dei CEC che ostacola la definizione delle priorità dei CEC da includere nei regolamenti e anche il limite da proporre. L'obiettivo di questo progetto di dottorato è quello di contribuire a colmare le lacune di conoscenza nel campo della valutazione del rischio relative alla diffusione dei CEC nei sistemi di approvvigionamento dell’acqua potabile, fornendo strumenti efficaci per supportare le aziende idriche nella gestione di un sistema di approvvigionamento idrico affidabile e i decisori nell’individuazione dei CEC a cui la cui regolamentazione è da prioritizzare. Nello specifico, il sistema di approvvigionamento è stato considerato come composto da 4 elementi: (i) fonti di acqua (es. acque sotterranee, acque superficiali), (ii) impianto di trattamento dell'acqua potabile, (iii) rete di distribuzione dell'acqua potabile e (iv) punto di utilizzo (cioè il rubinetto del consumatore). In questo quadro, gli esperimenti a scala di laboratorio sono stati combinati con il monitoraggio in campo, lo sviluppo di modelli predittivi e procedure di valutazione del rischio e metodi statistici avanzati (come analisi di sensibilità, analisi dell'incertezza, analisi fattoriale, analisi dei cluster, ecc.), per ripartire il contributo di ogni elemento del sistema di fornitura dell’acqua potabile nella determinazione del rischio per la salute umana, al fine di privilegiare gli interventi in vista di una complessiva minimizzazione del rischio. In primo luogo, un approccio avanzato, basato sul metodo di stima della massima verosimiglianza per i dati censurati a sinistra (MLELC), è stato confrontato con i metodi tradizionali utilizzati per gestire i dati censurati, ovvero la loro eliminazione o sostituzione con un valore compreso tra 0 e LOQ. Questi metodi sono stati applicati su dati di monitoraggio a piena scala di diversi microinquinanti in campioni raccolti in tutto il sistema di approvvigionamento in un'area italiana altamente urbanizzata. I risultati hanno dimostrato i vantaggi del metodo MLELC rispetto a quelli tradizionali, soprattutto per alte percentuali di dati censurati, non solo in termini di adattamento più accurato della distribuzione statistica della concentrazione, ma anche in tre applicazioni di analisi dei dati, che sono la stima dell'andamento temporale delle concentrazioni nell'acqua di fonte, l'efficienza della rimozione del trattamento e il rischio per la salute umana. In secondo luogo, è stata sviluppata una nuova procedura probabilistica, ovvero una valutazione quantitativa del rischio chimico (QCRA), per valutare il rischio per la salute umana correlato al verificarsi di CEC in acqua potabile, comprese tutte le incertezze relative sia all'esposizione che alle valutazioni dei pericoli. Il QCRA quantifica il rischio in termini di distribuzione probabilistica del quoziente di rischio (BQ), dalla concentrazione stimata di CEC in acqua, simulando il trattamento dell'acqua di sorgente mediante carbone attivo granulare (GAC). Sono state eseguite analisi di sensibilità e incertezza per identificare i principali fattori che influenzano la stima del rischio, evidenziando le esigenze e le direzioni della ricerca futura, per migliorare l'affidabilità della valutazione del rischio. La QCRA è stata applicata al bisfenolo A (BPA) come esempio di CEC e varie opzioni di gestione del sistema GAC (scenario di intervento). Ciò ha dimostrato che la QCRA è più efficace dell’approccio deterministico, nel valutare l'effetto di ogni scenario nella minimizzazione del rischio, consentendo di selezionare e dare priorità agli interventi più appropriati. Poiché sulla base degli output QCRA, è stato riscontrato che la modellazione delle curve di svolta GAC ha un ruolo rilevante nell'accuratezza della stima del rischio, è stato eseguito un lavoro sperimentale per modellare in modo più accurato le prestazioni GAC rispetto ai CEC, in particolare sostanze perfluoroalchiliche (PFAS) e farmaci (PhACs). I GAC sono stati testati con esperimenti batch all’equilibrio, fornendo isoterme e test rapidi su colonna su piccola scala (RSSCT), per calibrare le curve di perforazione dei CEC. Questi studi sono stati eseguiti su 8 PFAS e 8 PhAC in tre matrici d'acqua, ovvero acqua di rubinetto e due matrici sintetiche a carbonio organico disciolto (DOC) inferiore e due livelli di conducibilità. Inoltre, sono stati testati 4 GAC commerciali, diversi per origine, struttura micro e mesoporosa e carica superficiale. Infine, i dati a piena scala raccolti attraverso una campagna di monitoraggio su PFAS sono stati utilizzati per validare il modello. È stato confermato che la rimozione dei CEC dipende dall'idrofobicità dei composti; è stato dimostrato che la carica superficiale del GAC ha un'influenza maggiore della sua porosità sulla performance. Inoltre, è stato riscontrato che l'interazione tra l'idrofobicità CEC e la porosità GAC ha un effetto significativo sulle prestazioni. Infine, è stata trovata una correlazione tra la rimozione dell'assorbanza dei raggi UV a 254 nm e la rimozione dei CEC, che non dipende dal carbone attivo né dalla matrice dell'acqua, ma si è scoperto che dipende dalla scala del test. Infine, sono stati studiati potenziali eventi di ricontaminazione nella rete di distribuzione con particolare attenzione al rilascio di BPA dalle resine epossidiche utilizzate per rinnovare le condutture. I test di migrazione in laboratorio sono stati eseguiti su tre resine epossidiche e progettati con il metodo Design of Experiments (DoE) al fine di costruire un modello di rilascio di BPA in funzione della concentrazione di cloro dell'acqua e della stabilità chimica. Il rilascio di BPA nel tempo è stato ben descritto dalla combinazione di due modelli cinetici di primo ordine, dove il primo descrive il rilascio di BPA libero a causa della polimerizzazione incompleta e il secondo descrive il rilascio di BPA dovuto al deterioramento delle resine. Il modello di rilascio di BPA calibrato è stato abbinato al modello idraulico di un'area italiana altamente urbanizzata, tramite EPANET MSX. Il modello ha permesso di simulare l'attuale destino del BPA in rete, individuando le aree più vulnerabili; di conseguenza, il modello combinato può essere adottato per ottimizzare i piani di monitoraggio e intervento, personalizzabili per il sito specifico per minimizzare il rischio per la salute umana.