Investigation of disinfection in drinking water distribution systems

Recent global guidelines emphasize the importance of ensuring reliable water quality for human health, from both a microbiological and chemical perspective, from source to tap, through a comprehensive risk assessment and management approach of drinking water distribution systems (DWDSs). Chemical disinfection is the last barrier in the water treatment train to ensure microbiological safety of drinking water which is increasingly threatened by climate change. Inefficient chemical disinfection can result in several drawbacks, including altered water organoleptic properties, accelerated pipeline wear, and increased formation of disinfection by-products (DBPs). The recent UE Drinking Water Directive 2022/2184, beside revising water quality standards, posed attention on materials that come into contact with drinking water, with a focus on ensuring compatibility with different water conditions and avoiding leaching of potential compounds that could alter water quality. Despite the attention given to chemical and biological water stability in DWDSs, there is a lack of knowledge about optimizing disinfectant strategies. This includes selecting the most suitable disinfectant, correctly measuring it, and modelling its behaviour, such as its decay due to water quality conditions and its interaction with pipe materials. These factors make it difficult to plan and manage disinfection processes up to consumers. The aim of this PhD project is to develop strategies to optimize disinfection processes in DWDSs and to investigate and model the behaviour of the two most commonly applied chemical disinfectants, i.e. sodium hypochlorite (NaOCl), which is a chlorine-based disinfectant, and chlorine dioxide (ClO2). Specifically, the following aspects were investigated: (i) disinfectant measurement, (ii) disinfectant decay as a function of water composition, (iii) interaction between water and pipe material, in terms of both leaching and disinfectant decay, as a function of water quality, type of disinfectant, and pipe material. Laboratory-scale experiments and modelling work were integrated to fill knowledge gaps and to provide solutions for planning disinfection processes that minimize health risks and operational issues. Firstly, different methods for measuring ClO2 in stock and diluted water solutions were tuned and compared. In fact, conventional methods, i.e. iodometric titration for stock solutions and N,N-Di-n-propyl-1,4-phenylenediamine (DPD) colorimetric method for diluted solutions (concentrations lower than 1-2 mg/L), are sensitive to the presence of chlorine, hampering the selective determination of ClO2, which is important in complex disinfection systems where multiple disinfectants may coexist. Suitable chlorine masking agents were selected and their proper concentration was identified. In addition, a reliable procedure using the chlorophenol red pigment colorimetric (CRP) method was developed for the selective measurement of low ClO2 concentrations. The optimized DPD and CPR methods were compared to determine the best alternative and the CPR method was found to be the most appropriate. Chlorine-based disinfectants are the most widely adopted and a lot of research studies can be found describing their decay in water as a function of water quality. However, this huge amount of information is hard to be compared, since it is highly case-study sensitive, and then used to properly manage disinfection in the DWDSs. In this PhD project, a meta-analysis approach was adopted to generalize the estimation of coefficients for three types of chlorine decay kinetic models (first-order, second-order, and two-reactants). Literature data were collected and statistically processed to develop empirical models to predict decay coefficients based on water quality and disinfection operating conditions, overcoming the site-specificity of the original models. The effectiveness of the developed empirical models was tested against literature data. The two-reactants kinetics was found to be too complex to provide reliable estimates, while the developed empirical models for first-order and second-order kinetics resulted to be useful tools for predicting chlorine decay in the absence of field data and in different case scenarios. Finally, the interactions between water quality, disinfectants (no disinfectant, NaOCl, and ClO2), and pipe materials were investigated focusing on two different materials, which are typical of big (cement-mortar lined pipes) and small (cross-linked polyethylene pipes) pipe diameters. The migration from cement mortar-lined pipes as a function of water aggressivity and disinfectant conditions was investigated through laboratory batch tests. In particular, a new testing protocol was proposed to consider disinfectant decay and pipe ageing. Results stressed that, in case of new pipes, NaOCl rapidly decays and reacts with the organic compounds leached by additives contained in the cement-mortar lining, potentially forming harmful DBPs. However, in the case of aged pipes, both for NaOCl and ClO2, disinfectant decay due to the reaction with cement mortar lining became negligible. Water characterized by high aggressivity caused greater leaching leading to an increase in water hardness and disinfectant decay rate with respect to water with lower aggressivity. As for cross-linked polyethylene pipes (PE-X), three types of materials were selected (PE-Xa, PE-Xb and PE-Xc) and used in laboratory batch experiments. Tests using PE-X in powder form were performed to evaluate the maximum potential release of organics and formation of DBPs. To identify the source of organics release, an antioxidant (Irganox 1010) frequently used in PE-X pipe manufacturing was tested as pure compound. Disinfectant decay, organic carbon characterization and leaching of volatile and semi-volatile compounds in water were evaluated, also using non-target screening analyses to obtain a complete overview of the compounds that could leach from the pipes and to conduct a preliminary health risk assessment. It should be stressed that, on average, more than half of the released compounds were not found in compounds libraries. In almost all cases, a greater extent of release was observed for ClO2 disinfection, due to its high reactivity compared with NaOCl, although different types of analyses provided non homogenous results and further research is needed.

Le recenti linee guida internazionali evidenziano l'importanza di garantire una qualità dell'acqua adeguata per la salute umana, sia dal punto di vista microbiologico sia chimico, dalla captazione al rubinetto, attraverso un approccio completo di valutazione e gestione del rischio dei sistemi di distribuzione idropotabili. La disinfezione chimica rappresenta l'ultima barriera nella filiera di trattamento dell'acqua per garantire la sicurezza microbiologica dell'acqua potabile, sempre più minacciata dai cambiamenti climatici. Una disinfezione chimica inefficiente può comportare diversi svantaggi, tra cui l’alterazione delle proprietà organolettiche dell'acqua, l’accelerazione dell'usura delle condotte e un aumento della formazione di sottoprodotti di disinfezione (DBPs). La Direttiva UE 2022/2184, oltre a revisionare gli standard di qualità dell'acqua destinata al consumo umano, ha attenzionato l’importanza dei materiali che vi entrano in contatto, con un focus sulla loro compatibilità in diverse condizioni e sulla prevenzione del potenziale rilascio di composti in grado di alterarne la qualità. Ad oggi, nonostante l'attenzione dedicata alla stabilità chimica e biologica dell'acqua nei sistemi di distribuzione idropotabili, mancano le conoscenze per delineare strategie ottimali di disinfezione. Ciò include la scelta del disinfettante più adatto, la sua corretta misurazione e la modellazione del suo comportamento, come il decadimento dovuto alle caratteristiche dell'acqua e l'interazione con i materiali delle condotte. Questi fattori rendono difficile pianificare e gestire i processi di disinfezione fino all’utenza. L'obiettivo di questo progetto di dottorato è stato quello di sviluppare strategie per ottimizzare i processi di disinfezione nei sistemi di distribuzioni idropotabili e indagare e modellare il comportamento dei due disinfettanti chimici più comunemente utilizzati, ovvero l'ipoclorito di sodio (NaClO), che ha come principio attivo quello che viene solitamente definito cloro, e il biossido di cloro (ClO2). In particolare, sono stati investigati i seguenti aspetti: (i) la misura del disinfettante, (ii) il decadimento del disinfettante in funzione della composizione dell'acqua, (iii) l'interazione tra l'acqua e il materiale delle condotte, sia in termini di rilascio sia di decadimento del disinfettante, in relazione alla qualità dell'acqua, al tipo di disinfettante e al materiale delle condotte. Sono stati integrati esperimenti su scala di laboratorio e tecniche di modellazione per colmare le lacune alcune lacune riscontrate in letteratura e fornire soluzioni per la pianificazione dei processi di disinfezione, nell’ottica di ridurre al minimo i rischi per la salute e i problemi operativi e di gestione. Innanzitutto, sono state adattate e confrontate diverse metodologie per misurare il ClO2 in soluzioni concentrate e diluite. Infatti, i metodi convenzionali, come la titolazione iodometrica per le soluzioni concentrate e il metodo colorimetrico con N,N-dietil-p-fenilendiammina (DPD) per le soluzioni diluite (con concentrazioni inferiori a 1-2 mg/L), sono sensibili alla presenza di cloro, ostacolando la determinazione selettiva del ClO2, aspetto che risulta problematico in sistemi complessi di disinfezione in cui possono coesistere diversi disinfettanti. Sono stati selezionati dei possibili agenti mascheranti del cloro e ne è stata identificata la concentrazione più adatta. Inoltre, è stata sviluppata una procedura affidabile, utilizzando il metodo colorimetrico tramite clorofenolo (CRP), per la misurazione selettiva di basse concentrazioni di ClO2. I metodi ottimizzati di DPD e CPR sono stati confrontati per determinare la migliore alternativa, e il metodo CPR si è rivelato il più adeguato alle esigenze idropotabili. I disinfettanti a base cloro sono quelli più comunemente utilizzati e sono disponibili molti studi di ricerca che descrivono il loro decadimento in funzione delle caratteristiche dell'acqua. Tuttavia, la grande mole di informazioni presente in letteratura è difficile da confrontare e da utilizzare per gestire correttamente la disinfezione nei sistemi idropotabili, poiché ogni studio è fortemente sito-specifico. In questo progetto di dottorato, è stato adottato un approccio di meta-analisi per generalizzare la stima dei coefficienti per tre tipi di modelli cinetici di decadimento del cloro (primo ordine, secondo ordine e due reagenti). Dati da letteratura sono stati raccolti e elaborati statisticamente per sviluppare modelli empirici per prevedere i coefficienti di decadimento in base alla qualità dell'acqua e alle condizioni operative della disinfezione, superando la specificità dei modelli originali. L'efficacia dei modelli empirici sviluppati è stata testata confrontandola con i dati di letteratura raccolti. Si è constatato che la cinetica a due reagenti risulta troppo complessa per fornire stime affidabili, mentre i modelli empirici sviluppati per la cinetica del primo ordine e del secondo ordine sono risultati strumenti utili per prevedere il decadimento del cloro in assenza di dati di campo e nel caso di simulazione di scenari alternativi. Infine, sono state indagate le interazioni tra la qualità dell'acqua, i disinfettanti (nessun disinfettante, NaClO e ClO2) e i materiali delle condotte, concentrandosi su due diversi materiali tipici dei diametri delle grandi condotte (condotte rivestite in malta cementizia) e delle piccole condotte (condotte in poletilene reticolato,PE-X). La migrazione dalle condotte rivestite in malta cementizia in funzione dell'aggressività dell'acqua e delle condizioni del disinfettante è stata studiata attraverso test di laboratorio. In particolare, è stato proposto un nuovo protocollo per considerare il decadimento del disinfettante e l'invecchiamento delle condotte. I risultati hanno evidenziato che, nel caso delle nuove condotte, il NaClO si degrada rapidamente e reagisce con i composti organici rilasciati dagli additivi contenuti nel rivestimento nella malta cementizia, determinando una potenziale maggiore formazione di DBPs. Nonostante questo, nel caso di tubazioni “invecchiate”, il decadimento di NaClO e di ClO2 dovuto all’interazione con il materiale della condotta è risultato pressochè trascurabile. Acque aggressive sono risultate determinare un maggiore rilascio, portando a un aumento della durezza dell'acqua e del rateo di decadimento del disinfettante rispetto a acque meno aggressive. Per quanto riguarda le condotte in polietilene reticolato, sono stati selezionati e utilizzati in esperimenti in laboratorio tre tipi di materiali (PE-Xa, PE-Xb e PE-Xc). Sono stati effettuati test utilizzando PE-X in forma di polvere per valutare il massimo rilascio ottenibile di composti organici e la formazione di DBPs. Per identificare la fonte del rilascio di composti organici, è stato testato un antiossidante (Irganox 1010) spesso utilizzato nella produzione di condotte in PE-X come composto puro. Sono stati valutati il decadimento del disinfettante, la caratterizzazione del carbonio organico e il rilascio di composti volatili e semivolatili nell'acqua, utilizzando anche analisi di screening non-target per ottenere una panoramica completa dei composti che potrebbero essere rilasciati dalle condotte e per condurre una valutazione preliminare dei rischi per la salute. È importante sottolineare che, in media, più della metà dei composti rilasciati non è stata trovata nelle librerie digitali dei composti. Nella maggior parte dei casi, si è osservato un rilascio più significativo nel caso di disinfezione con ClO2, a causa della sua elevata reattività rispetto al NaClO, nonostante diversi tipi di analisi abbiano fornito risultati non omogenei e ulteriori ricerche siano perciò necessarie.