Applicazione del modello ALBA per l'implementazione ed ottimizzazione di sistemi microalgali in impianti di trattamento delle acque reflue

To ensure greater enviromental sustainability, study of new low-impact technologies is fundamental. Therefore, the implementation of microalgae-bacteria consortia in wastewater treatment has earned great interest with a view to achieving a circular economy, improving the efficiency of treatment in terms of water resources and nutrients and energy recovery. This thesis evaluated the use of ALBA model for the simulation of microalgal reactor, calibrating and validating the model on a case study characterized by treatment of the digestate liquid fraction prduced by the Bresso-Seveso WWTP in Milan. Subsequently the model was used to optimize the operating conditions of the reactor and to analize the effects produced on the microalgal system by different climatic conditions, simulating the climatic scenarios of Milan, Rome, Catania and Honolulu (Hawaii, USA). As a final step, the possibility of the reactor to replace the conventional biological treatment of an urban WWTP was assessed. The case study’s results highlighted the model’s ability to effectively reproduce, both nichtemeral and long-term, experimental data dynamics. The forecasts efficiency indices confirmed good results for almost all variables; however, two issues occured: a slight under-estimation of the algal photosynthetic capacity has been identified, especially in Autumn, and a difficulty of reproducing the total nitrogen balance, probably due to inaccurate experimental data. The operating conditions optimization evaluated many scenarios (analyzing each season individually), evaluating variations of the hydraulic retention time, pH, influent alcalinity, mixing (kLa) and water depth trough key performances indicators (KPI) considering both system performances and its impacts on environment (atmospheric emissions, energy consumption and nutrients emissions). The results made possible to draw a wide range of considerations, managing to identify each operational parameter’s effect and defining the best perfomance conditions. The comparison between climatic scenarios, wich included the reactor’s optimization according to local climate, confirmed the improvement of average annual performances along with temperature and irradiance increase, highlighting however an under-estimation of reachable advantages produced by a warmer climate and indicating that the model is still subject to its calibration’s climate. The application of the reactor as a secondary treatment evaluation included an analysis of the effects produced by different operating conditions. It highlighted, in the optimal scenario, excellent treatment efficiency, maintaining good algal productivity and reaching compliance with the legal limits for all compounds emitted by a plant with a capacity of less than 100'000 I.E. in non-sensitive areas and directly on the ground. This thesis has provided some examples of the possible applications of ALBA model, future studies will further improve its predictive capabilities (calibration over different seasons, with different climates and measuring biomass fractionation and gaseous emissions, implementation of N2O emission) and investigate further useful applications (evaluation of influent variation, uncoupling SRT and HRT, implemetation of the model in industrially used simulators in order to analyze the reactor in a real WWTP).

Lo studio di nuove tecnologie a basso impatto ambientale è di fondamentale importanza al fine di assicurare una maggiore sostenibilità. L’implementazione dei consorzi microalghe-batteri nel trattamento delle acque reflue è, perciò, di grande interesse nell’ottica di un’economia circolare, permettendo di migliorare l’efficienza del trattamento in termini di risorse idriche e recupero di nutrienti ed energia. La presente tesi ha valutato l’utilizzo del modello matematico ALBA per la modellazione di un reattore microalgale. A tale scopo, il modello è stato calibrato e validato su un caso di studio caratterizzato dal trattamento della frazione liquida del digestato prodotto dall’impianto di trattamento delle acque reflue urbane di Bresso-Seveso, a Milano. Successivamente il modello è stato utilizzato per effettuare l’ottimizzazione delle condizioni operative del reattore e per verificare gli effetti prodotti sul sistema microalgale dal cambiamento delle condizioni climatiche, simulando gli scenari climatici di Milano, Roma, Catania ed Honolulu (Hawaii, USA). In conclusione, è stata verificata l’applicazione del reattore in sostituzione al trattamento biologico convenzionale di un impianto di trattamento delle acque reflue urbane a Milano. I risultati relativi al caso di studio hanno evidenziato la capacità del modello di riprodurre efficacemente le dinamiche, sia nictemerali che a lungo termine, osservate dai dati sperimentali. Gli indici di efficienza delle previsioni hanno confermato buoni risultati per quasi tutte le variabili; è stata riscontrata però una leggera sottostima della capacità fotosintetica algale, soprattutto nella stagione autunnale, e una difficoltà nel riprodurre il bilancio totale dell’azoto, probabilmente a causa di dati sperimentali imprecisi. L’ottimizzazione delle condizioni operative ha valutato innumerevoli scenari (analizzando singolarmente ogni stagione), considerando variazioni del tempo di residenza idraulico, del pH, della correzione di alcalinità influente, della miscelazione (kLa) e dell’altezza del pelo libero tramite indicatori di prestazione (KPI) che considerano sia le prestazioni del sistema, sia gli impatti che esso genera sull’ambiente (emissioni in atmosfera, consumo energetico ed emissione nutrienti). I risultati hanno permesso di trarre un’ampia gamma di conclusioni, riuscendo ad individuare gli effetti di ogni parametro operativo e definendo le condizioni in cui sono ottenute le migliori prestazioni del sistema. Il confronto tra gli scenari climatici (che ha compreso l’ottimizzazione del reattore in funzione del clima locale) ha confermato il miglioramento delle prestazioni medie annue con l’aumento di temperatura e irradianza, evidenziando però una sottostima dei vantaggi ottenibili da un clima più temperato. L’affidabilità del modello risulta, quindi, ancora legata al clima su cui è stato calibrato. La valutazione del reattore come trattamento secondario ha incluso un’analisi degli effetti prodotti da diverse condizioni operative. Questa ha evidenziato un’ottima efficienza ottenibile nello scenario ottimale, conservando una buona produttività algale ed ottenendo il rispetto dei limiti di legge per tutti i composti emessi da un impianto con capacità inferiore a 100'000 A.E. in aree non sensibili e direttamente sul suolo. La presente tesi ha fornito alcuni esempi delle possibili applicazioni del modello ALBA, futuri studi potranno migliorare ulteriormente le sue capacità predittive (calibrazione su diverse stagioni, con climi diversi e con la misurazione del frazionamento della biomassa e delle emissioni gassose, implementazione dell’emissione di N2O) ed approfondire ulteriori applicazioni utili (valutazione della variazione dell’influente, slegare SRT da HRT, implementazione del modello in simulatori in modo da analizzare il reattore inserito in un impianto reale).