Micropollutants removal in wastewater: integrated analysis of conventional and quaternary treatments to meet the urban wastewater treatment directive targets

In recent years, micropollutants are emerging as a significant challenge, due to their increasing presence in aquatic systems and their potential toxic effects, determining a need for their reduction. One of the most important sources of micropollutants in the environment are wastewater treatment plants, not specifically designed for their removal, which requires advanced treatment processes. The Urban Wastewater Treatment Directive (UWWTD) mandates the implementation of quaternary treatments, to achieve an 80% removal efficiency of 6 out of 12 listed micropollutants, in wastewater treatment plants with capacities exceeding 150,000 population equivalents. Ozonation and activated carbon adsorption are currently the most promising technologies. This thesis addresses the directive’s targets by combining efficiency and risk assessments of conventional and quaternary treatment processes with a cost analysis for implementing quaternary treatments. The study includes: (i) a literature review on the current state of micropollutants removal in wastewater treatment plants; (ii) a scenario analysis for the compliance with the UWWTD targets by simulating in WEST® both biological and quaternary treatment processes; (iii) a cost analysis (CAPEX+OPEX) of installing quaternary treatments in large wastewater treatment plants. The literature confirmed the need of quaternary treatments, especially for some micropollutants. Both ozonation and granular activated carbon adsorption resulted adequate to meet the UWWTD targets, even if the environmental risk for some micropollutants remains higher than the safety threshold. In terms of costs, ozonation as stand-alone process proved to be cheaper than granular activated carbon adsorption, while combining both processes offered a moderate cost solution, balancing safety and efficiency.

Negli ultimi anni, i microinquinanti stanno emergendo come una sfida significativa a causa della loro crescente presenza nei sistemi acquatici e dei loro potenziali effetti tossici, rendendo necessaria la loro riduzione. Una delle principali fonti di microinquinanti nell'ambiente sono gli impianti di trattamento delle acque reflue, che non sono specificamente progettati per la loro rimozione, richiedendo quindi processi di trattamento avanzati. La Direttiva sulle Acque Reflue Urbane (UWWTD) impone l'implementazione di trattamenti quaternari per ottenere un'efficienza di rimozione dell'80% di 6 dei 12 microinquinanti elencati, negli impianti di trattamento con capacità superiori a 150,000 abitanti equivalenti. Attualmente, l'ozonizzazione e l'adsorbimento su carbone attivo sono le tecnologie più promettenti. Questa tesi affronta gli obiettivi della direttiva combinando valutazioni di efficienza e di rischio dei processi di trattamento convenzionali e quaternari con un'analisi dei costi per l'implementazione dei trattamenti quaternari. Lo studio comprende: (i) una revisione della letteratura sullo stato attuale della rimozione dei microinquinanti negli impianti di trattamento delle acque reflue; (ii) un'analisi di scenario per la conformità agli obiettivi della UWWTD, simulando in WEST® sia i processi biologici che i trattamenti quaternari; (iii) un'analisi dei costi (CAPEX+OPEX) per l'installazione dei trattamenti quaternari in grandi impianti di trattamento delle acque reflue. La letteratura ha confermato la necessità di trattamenti quaternari, particolarmente per alcuni microinquinanti. Sia l'ozonizzazione che l'adsorbimento su carbone attivo granulare sono risultati adeguati per soddisfare gli obiettivi della UWWTD, anche se il rischio ambientale per alcuni microinquinanti rimane superiore alla soglia di sicurezza. In termini di costi, l'ozonizzazione come processo singolo è risultata più economica rispetto all'adsorbimento su carbone attivo granulare, mentre la combinazione dei due processi ha offerto una soluzione a costo moderato, bilanciando sicurezza ed efficienza.