Towards energy neutrality in wastewater treatment plants: challenges and opportunities

Urban wastewater treatment plants (UWWTPs) are significant energy consumers, although their potential to become energy-positive or energy-neutral is becoming increasingly evident. This thesis provides a precise analysis of the challenges and opportunities faced by UWWTPs in achieving energy neutrality, as proposed by the EU Directive (EU) 2024/3019. An exhaustive methodological approach is employed in the study, which involves a review of both existing and newly developed technologies, as well as those that require further research to reduce energy consumption and enhance energy production. For each technology, the main features, working principle, advantages, disadvantages, and the companies or institutions commercializing or researching it are mentioned. Additionally, case studies of energy-neutral plants present various emerging processes and technologies to achieve energy neutrality. The study highlights that a 50,000 PE UWWTP equipped with membrane-activated biofilm reactors (MABRs) and anaerobic digestion (AD) can achieve energy neutrality by producing approximately 1,590 kWh/day of energy while consuming almost 288 kWh/day for aeration. However, a 50,000 PE UWWTP using conventional activated sludge (CAS) lags behind processes due to its extreme 1,584 kWh/day of energy consumption for aeration. Also, the techno-economic ramifications of both are detailed. Moreover, cutting-edge technologies such as nanohybrids, bioelectrochemical systems (BES), biogas upgrading (methanation), and many more have a potential role to play in becoming energy-neutral for a UWWTP. Future efforts should focus on increasing the scale, lowering the cost of new and existing technologies, and optimizing treatment, although further research and funding are required for optimal developments to occur in this space. This work aims to motivate a shift toward energy-positive and more sustainable wastewater treatment systems.

Gli impianti di trattamento delle acque reflue urbane (UWWTP) consumano molta energia, sebbene il loro potenziale per raggiungere un bilancio energetico positivo o neutro stia diventando sempre più evidente. Questa tesi fornisce un'analisi precisa delle sfide e delle opportunità che gli UWWTP devono affrontare per raggiungere la neutralità energetica, come proposto dalla Direttiva UE (UE) 2024/3019. Nello studio viene impiegato un approccio metodologico esaustivo, che prevede una revisione delle tecnologie esistenti e di nuova concezione, nonché di quelle che richiedono ulteriori ricerche per ridurre il consumo energetico e migliorare la produzione di energia. Per ciascuna tecnologia, vengono menzionate le caratteristiche principali, il principio di funzionamento, i vantaggi, gli svantaggi e le aziende o istituzioni che la commercializzano o la ricercano. Inoltre, casi di studio di impianti a energia zero presentano vari processi e tecnologie emergenti per raggiungere la neutralità energetica. Lo studio evidenzia che un impianto di trattamento delle acque reflue urbane da 50.000 AE dotato di reattori a biofilm attivato da membrana (MABR) e digestione anaerobica (DA) può raggiungere la neutralità energetica producendo circa 1.590 kWh/giorno di energia e consumandone quasi 288 kWh/giorno per l'aerazione. Tuttavia, un impianto di trattamento delle acque reflue urbane da 50.000 AE che utilizza fanghi attivi convenzionali (CAS) è in ritardo rispetto ai processi tradizionali a causa del suo consumo energetico di soli 1.584 kWh/giorno per l'aerazione. Vengono inoltre illustrate le implicazioni tecnico-economiche di entrambi i processi. Tecnologie all'avanguardia come nanoibridi, sistemi bioelettrochimici (BES), upgrading del biogas (metanazione) e molte altre possono contribuire a rendere un impianto di trattamento delle acque reflue urbane energeticamente neutrale. Gli sforzi futuri dovrebbero concentrarsi sull'aumento della scala, sulla riduzione dei costi delle tecnologie nuove ed esistenti e sull'ottimizzazione del trattamento, sebbene siano necessarie ulteriori ricerche e finanziamenti per raggiungere sviluppi ottimali in questo ambito. Questo lavoro mira a promuovere una transizione verso sistemi di trattamento delle acque reflue a consumo energetico positivo e più sostenibili.