From drain to river: coordinated risk-based strategies for (micro-)pollutant management in integrated urban wastewater systems

Urban areas are significant contributors to water pollution, with wastewater discharges acting as a primary pathway for pollutants entering the environment. These discharges contain both micropollutants, which include well-known substances such as metals and polycyclic aromatic hydrocarbons, as well as emerging contaminants like pharmaceuticals, personal care products, and industrial chemicals, and conventional pollutants such as organic matter, suspended solids, and nutrients. While conventional pollutants are typically managed through established treatment processes in wastewater treatment plants (WWTP), micropollutants are more difficult to remove and are found in concentrations ranging from ng/L to µg/L. Even at these low levels, they have been linked to endocrine disruption, antibiotic resistance, and chronic toxicity in aquatic organisms. They display a widespread occurrence in surface waters, sediments, and even drinking water sources, being wastewater discharges from urban areas one of the major pathways through which micropollutants continuously enter the environment. Hence, integrated urban wastewater systems (IUWS), which include the sewer network, the wastewater treatment plant (WWTP), and the receiving water body, play a crucial role in the fate and transport of micropollutants, also considering that the sewer systems are often combined, collecting both wastewater and stormwater in the same pipe system. Conventional pollutants and micropollutants are thus released to the water environment through two primary discharge types: (i) wet-weather discharges, which occur during heavy rainfall events when the hydraulic capacity of sewer system is exceeded, activating combined sewer overflows (CSOs) and WWTP bypass; (ii) dry-weather discharges, which consist of the continuous release of treated effluent from the WWTP, where micropollutants are not effectively removed. As concerns over micropollutants spread, the revised European Urban Wastewater Treatment Directive (UWWTD) has recently included measures for promoting extensive monitoring and treatment of micropollutants, requiring the implementation of quaternary treatments for the removal of micropollutants in WWTPs with a capacity above 150,000 population equivalent. The directive also emphasizes the need for conducting risk assessments to evaluate the environmental impact of micropollutants on the receiving water body in smaller WWTPs, and implement adequate treatment where risk is present. Moreover, the UWWTD requires a reduction in the discharged loads of conventional pollutants during wet-weather, with respect to the loads collected during dry-weather, ensuring they remain below 2%. To meet these requirements, comprehensive and well-designed mitigation strategies must be implemented, addressing both dry- and wet-weather conditions. These strategies should include a combination of infrastructural solutions, such as quaternary treatments for micropollutants, along with operational measures aimed at cost-efficiently optimizing the performance of these technologies. Additionally, the integration of blue-green infrastructure and end-of-pipe solutions will be crucial in managing both the volume and quality of wet-weather discharges, reducing the burden on the sewer system and WWTP. In this context, addressing pollutants in IUWS requires a comprehensive and integrated approach, incorporating: (i) general quantification of conventional pollutants and micropollutants exposure variability, both in dry- and wet-weather discharges; (ii) IUWS fate and transport models to provide predictions of discharged loads in dry- and wet-weather; (iii) modeling tools for assessing the cost-effectiveness of the implementation of quaternary treatments alternatives; (iv) environmental risk assessment of the different water management strategies adopted. This thesis systematically addresses these challenges in six interrelated chapters: Chapters from 1 to 3 focus mainly on discharges of conventional pollutants and micropollutants during wet-weather; Chapters 4 and 5 focus on discharges of micropollutants during dry-weather; Chapter 6 addresses both dry- and wet-weather discharges for an evaluation of the “water-wise” city approach. Wet-weather discharges contribute significantly to pollution loads in receiving water bodies, primarily through CSOs and WWTP bypass. The stochastic nature of these discharges, characterized by high variability and unpredictability, presents a challenge for accurately assessing the environmental impact. Chapter 1 reviews the literature to gather data on the volumes and concentrations typically discharged. It also develops a probabilistic environmental risk assessment framework that integrates monitoring data and statistical modeling. This framework estimates the likelihood of micropollutants exceeding environmental quality thresholds in the receiving water body. By applying Monte Carlo simulations, the study evaluates uncertainties in micropollutant exposure concentrations and associated risks, highlighting the contribution of wet-weather discharges to pollution loads. The results support risk-based decision-making for regulatory frameworks and IUWS management. Based on literature review and findings in Chapter 1, it emerged that WWTP bypass is often overlooked, as well as dynamics of pollutants during wet-weather can affect loads and risk calculation. To specifically assess these issues, Chapter 2 presents an extensive field monitoring campaign quantifying conventional pollutants and micropollutants concentrations in WWTP bypass, and influent and effluent during dry- and wet-weather for comparison. High-resolution sampling was conducted during rainfall events of different magnitudes to characterize the occurrence, variability, and loads of released pollutants. The study reveals that the bypass discharge introduces concentrations significantly higher than those observed in the WWTP effluent, demonstrating its environmental impact. These monitoring data provide a crucial foundation for the modeling work in Chapter 3. Chapter 3 demonstrates the impact of wet-weather discharges on the receiving water body. Building on this, various mitigation strategies and climate change scenarios were evaluated in terms of discharged pollutant loads. Specifically, the end-of-pipe strategy using first-flush tanks was considered, along with partial sewer system separation and the adoption of blue-green infrastructure to enable complete runoff infiltration. To account for climate variability, real monitoring data from both a dry and a rainy year were analyzed. Additionally, the risk for receiving water body and compliance with the UWWTD were assessed for each scenario. To achieve this, an integrated IUWS model was developed to simulate the fate and transport of pollutants in both dry- and wet-weather across the sewer system and WWTP. This model was calibrated and validated using field data from Chapter 2, ensuring a realistic representation of pollutant dynamics. The study demonstrated that IUWS modeling can serve as a valuable decision-support tool for optimizing IUWS management, with the ultimate goal of protecting the environment. While wet-weather discharges introduce sporadic but intense pollution spikes, dry-weather discharges contribute to more constant emission of micropollutants. Chapter 4 reviews the 12 micropollutants targeted in the UWWTD. Concentrations of micropollutants at WWTP influent and at inlet and outlet of quaternary treatments were gathered from literature studies, to assess typical occurrence and removal values in both the biological and quaternary treatments. Specifically, ozonation, and adsorption on granular and powdered activated carbon were investigated, as they are the most viable options for quaternary treatments. Maps of micropollutants fate parameters for different processes were created to assess the treatability of each micropollutant during biological and different quaternary treatments. Removal rates were also correlated with these process-specific fate parameters to provide insights for WWTP operators. Moreover, the residual risk after the removal target set by the UWWTD was assessed and the required removal to grant no risk was identified. The review in Chapter 4 establishes a technical foundation for the techno-economic assessment conducted in Chapter 5, where modelling tools, simulating quaternary treatments (ozonation, granular activated carbon adsorption, and their combination in series), were used to assess the costs related to their implementation, when used to reach specifically the 80% removal of the targeted micropollutants, as set by the UWWTD. To guide a sustainable implementation, costs were compared under different operating conditions, while granting the required removal. Simulation-based analyses provided cost-benefit insights for selecting optimal treatment configurations, supporting informed investment decisions for wastewater utilities. Chapter 6 integrates findings from previous chapters into a risk-based framework for urban water management strategies. The "water-wise city" approach is introduced as a sustainable urban water management strategy, where water can be reused for different purposes, enhancing also its recreative value. However, water quality is often neglected, ignoring potential long-term impacts due to pollution spread and cross-contamination of water streams. A modeling framework was developed to assess the impact of various sustainable water management strategies, addressing: (i) cleaner energy production through groundwater heat pumps adoption, (ii) reduction of both the load delivered to the WWTP and the discharge of untreated flows during wet-weather through sewer separation, (iii) increase of water availability for agriculture through indirect wastewater reuse. This chapter aligns with sustainability goals, providing scientifically based recommendations for policy and infrastructure planning, approaching water management strategies in a holistic perspective, integrating quantity and quality aspects.

Le aree urbane rappresentano un'importante fonte di inquinamento idrico, con gli scarichi di acque reflue che costituiscono una delle principali vie di ingresso degli inquinanti nell'ambiente. Questi scarichi contengono sia microinquinanti, tra cui sostanze ben note come metalli e idrocarburi policiclici aromatici, sia contaminanti emergenti come prodotti farmaceutici, cosmetici e sostanze chimiche industriali, oltre ai tradizionali inquinanti quali materia organica, solidi sospesi e nutrienti. Mentre gli inquinanti convenzionali vengono generalmente gestiti tramite processi consolidati negli impianti di trattamento delle acque reflue (WWTP), i microinquinanti sono più difficili da rimuovere e si ritrovano in concentrazioni che vanno da ng/L a µg/L. Anche a questi bassi livelli, sono stati associati a effetti di alterazione endocrina, resistenza agli antibiotici e tossicità cronica per gli organismi acquatici. Sono ampiamente diffusi nelle acque superficiali, nei sedimenti e persino nell'acqua potabile, con gli scarichi urbani che rappresentano una delle principali vie di ingresso continua di questi inquinanti nell’ambiente. In questo contesto, i sistemi integrati di gestione delle acque reflue urbane (IUWS), che includono la rete fognaria, l’impianto di trattamento e il corpo idrico recettore, svolgono un ruolo cruciale nel destino e trasporto dei microinquinanti, soprattutto considerando che le reti fognarie sono spesso combinate, raccogliendo sia acque reflue che acque meteoriche nello stesso sistema di tubazioni. Gli inquinanti convenzionali e i microinquinanti vengono quindi rilasciati nell’ambiente acquatico tramite due principali tipologie di scarichi: (i) scarichi in tempo di pioggia, che si verificano durante eventi meteorici intensi, quando la capacità idraulica della rete viene superata, attivando gli sfioratori di piena (CSO) e il bypass del WWTP; (ii) scarichi in tempo secco, costituiti dal rilascio continuo dell’effluente trattato del WWTP, in cui i microinquinanti non vengono efficacemente rimossi. Con la crescente attenzione verso i microinquinanti, la revisione della Direttiva Europea sul trattamento delle acque reflue urbane (UWWTD) ha recentemente introdotto misure per promuovere il monitoraggio e trattamento estensivo dei microinquinanti, richiedendo l’implementazione di trattamenti quaternari nei WWTP con capacità superiore a 150.000 abitanti equivalenti. La direttiva sottolinea anche la necessità di effettuare valutazioni del rischio ambientale per i corpi idrici recettori nei piccoli impianti, implementando trattamenti adeguati qualora venga individuato un rischio. Inoltre, la UWWTD richiede una riduzione dei carichi scaricati di inquinanti convenzionali in tempo di pioggia rispetto a quelli raccolti in tempo secco, assicurando che restino al di sotto del 2%. Per soddisfare questi requisiti, devono essere implementate strategie di mitigazione complete e ben progettate, che affrontino sia le condizioni di pioggia che di tempo secco. Tali strategie devono includere una combinazione di soluzioni infrastrutturali, come i trattamenti quaternari per i microinquinanti, insieme a misure operative volte a ottimizzare in modo efficiente i costi e le prestazioni di queste tecnologie. Inoltre, l’integrazione di infrastrutture verdi-blu e soluzioni a fine linea sarà cruciale per gestire sia il volume che la qualità degli scarichi in tempo di pioggia, riducendo il carico sulla rete fognaria e sul WWTP. In questo contesto, affrontare gli inquinanti negli IUWS richiede un approccio integrato e multidisciplinare che comprenda: (i) quantificazione generale della variabilità dell’esposizione a inquinanti convenzionali e microinquinanti, sia in scarichi in tempo secco che di pioggia; (ii) modelli di destino e trasporto negli IUWS per prevedere i carichi scaricati; (iii) strumenti di modellazione per valutare la costo-efficacia dell’implementazione dei trattamenti quaternari; (iv) valutazione del rischio ambientale delle diverse strategie di gestione idrica adottate. Questa tesi affronta sistematicamente tali sfide in sei capitoli interconnessi: i Capitoli da 1 a 3 si concentrano principalmente sugli scarichi in tempo di pioggia; i Capitoli 4 e 5 sugli scarichi in tempo secco; il Capitolo 6 considera entrambi per valutare l’approccio della città "water-wise”. Gli scarichi in tempo di pioggia contribuiscono significativamente ai carichi inquinanti nei corpi idrici recettori, principalmente tramite CSO e bypass del WWTP. La natura stocastica di questi eventi, caratterizzata da alta variabilità e imprevedibilità, rappresenta una sfida per valutare accuratamente l’impatto ambientale. Il Capitolo 1 raccoglie dati dalla letteratura su volumi e concentrazioni tipiche, sviluppando anche un framework probabilistico di valutazione del rischio ambientale, che integra dati di monitoraggio e modellazione statistica. Tramite simulazioni Monte Carlo, lo studio valuta le incertezze nelle concentrazioni di esposizione ai microinquinanti e nei rischi associati, evidenziando il contributo degli scarichi in tempo di pioggia. I risultati supportano una gestione degli IUWS e una regolamentazione basate sul rischio. Dal Capitolo 1 emerge che il bypass del WWTP è spesso trascurato, così come le dinamiche degli inquinanti durante eventi piovosi, che influenzano i calcoli di carico e rischio. Il Capitolo 2 presenta quindi una campagna di monitoraggio sul campo volta a quantificare le concentrazioni di inquinanti convenzionali e microinquinanti nel bypass del WWTP, influente ed effluente, sia in tempo secco che durante eventi piovosi. Il campionamento ad alta risoluzione durante piogge di diversa intensità ha permesso di caratterizzare l'occorrenza, la variabilità e i carichi di inquinanti rilasciati. Lo studio mostra che le concentrazioni nel bypass sono significativamente superiori rispetto all’effluente trattato, dimostrandone l’impatto ambientale. Questi dati sono alla base del modello sviluppato nel Capitolo 3. Il Capitolo 3 dimostra l’impatto degli scarichi in tempo di pioggia sul corpo idrico recettore. Sono valutate diverse strategie di mitigazione e scenari climatici in termini di carichi scaricati. In particolare, vengono analizzate strategie a fine linea con vasche per il “first flush”, la separazione parziale della rete fognaria e l’adozione di infrastrutture verdi-blu per favorire l’infiltrazione totale del deflusso. Sono stati utilizzati dati di monitoraggio reali di un anno secco e uno piovoso per rappresentare la variabilità climatica. Per ciascuno scenario, si è valutato il rischio ambientale e la conformità alla UWWTD. È stato sviluppato un modello integrato IUWS per simulare il destino e il trasporto degli inquinanti, calibrato e validato con i dati del Capitolo 2. Il modello ha dimostrato l’utilità degli IUWS come strumento di supporto alle decisioni per ottimizzare la gestione e proteggere l’ambiente. Mentre gli scarichi in tempo di pioggia causano picchi inquinanti intensi ma episodici, quelli in tempo secco generano un’emissione più costante di microinquinanti. Il Capitolo 4 analizza i 12 micropollutanti oggetto della UWWTD. Sono state raccolte, da studi di letteratura, concentrazioni all’ingresso del WWTP e in ingresso/uscita dei trattamenti quaternari, per valutare la loro presenza e rimozione nei trattamenti biologici e quaternari. In particolare, sono stati analizzati ozonizzazione e adsorbimento su carbone attivo granulare e in polvere, essendo le opzioni più promettenti. Sono state realizzate mappe dei parametri di destino dei microinquinanti per valutare la trattabilità in ogni processo. I tassi di rimozione sono stati correlati a tali parametri per fornire indicazioni operative ai gestori degli impianti. Inoltre, è stato stimato il rischio residuo dopo aver raggiunto l’obiettivo di rimozione previsto dalla UWWTD, identificando la rimozione necessaria per garantire l’assenza di rischio. Il Capitolo 5 sviluppa la valutazione tecnico-economica basata sulla revisione tecnica del Capitolo 4. Sono stati utilizzati modelli di simulazione dei trattamenti quaternari per valutare i costi di implementazione per ottenere l’80% di rimozione dei microinquinanti previsti dalla UWWTD. I costi sono stati confrontati in diversi scenari operativi, mantenendo l’efficacia richiesta. Le analisi forniscono indicazioni costo-beneficio per selezionare le configurazioni ottimali di trattamento, a supporto di decisioni d’investimento sostenibili per i gestori del servizio idrico. Il Capitolo 6 integra i risultati in un framework basato sul rischio per strategie di gestione urbana dell’acqua. Si introduce l’approccio della città "water-wise”, una strategia sostenibile dove l’acqua può essere riutilizzata per diversi scopi, valorizzandone anche gli aspetti ricreativi. Tuttavia, la qualità dell’acqua è spesso trascurata, ignorando i potenziali impatti a lungo termine della contaminazione. È stato sviluppato un framework di modellazione per valutare diverse strategie sostenibili, affrontando: (i) produzione di energia pulita tramite pompe di calore da falda; (ii) riduzione del carico verso il WWTP e degli scarichi non trattati tramite separazione fognaria; (iii) aumento della disponibilità d’acqua per l’agricoltura tramite riuso indiretto. Il capitolo fornisce raccomandazioni scientificamente fondate per le politiche e la pianificazione infrastrutturale, affrontando la gestione idrica in una prospettiva integrata di quantità e qualità.