Holistic control of microplastics for a safe reuse of bio-based components and water from wastewater treatment plants

Microplastics (MPs) have emerged as a global environmental concern due to their persistence, ubiquity, and potential long-term impacts on ecosystems and human health. Wastewater treatment plants (WWTPs) have been identified as both effective barriers and potential sources of environmental release of MPs, positioning them as strategic points for mitigation strategies. Although WWTPs can achieve high removal efficiencies, especially when tertiary and advanced treatments are implemented, they are not specifically designed to retain or eliminate MPs, and a substantial fraction of MPs is transferred and concentrated in sewage sludge. Besides, WWTPs are increasingly being considered as wastewater biorefineries, namely systems that, rather than serving solely as waste disposal facilities, are evolving to valorize wastewater through the production of valuable bioproducts (e.g., fertilizers and biogas) and the recovery of resources including energy, nutrients, and reclaimed water. Due to their high content of organic matter and nutrients, sewage sludge is increasingly considered as a valuable resource and is often stabilized and reused as a soil amendment in agriculture and other sectors. However, this practice raises concerns about the presence of MPs, particularly regarding their potential for reintroduction and long-term accumulation in the environment. Although existing literature has highlighted the need for more effective strategies to manage MPs in WWTPs, significant knowledge gaps remain, particularly in three key areas, which are addressed in this PhD thesis: i) understanding the fate and behavior of MPs across full-scale WWTPs, especially focusing on the WWTPs operating conditions and other significant factors; ii) improving the accuracy and comparability of extraction and quantification methods; iii) investigating the impacts of sludge pretreatments and subsequent anaerobic digestion (AD) on the physicochemical transformation of MPs. To address these challenges, five interconnected chapters (Chapters 3 - 7) were developed. Chapter 3 presents a comprehensive meta-analysis of existing literature on MPs occurrence across full-scale WWTPs. Chapters 4 and 5 focus on evaluating different analytical protocols for MPs extraction and quantification, including a multi-laboratory approach and testing both liquid and solid samples collected from three textile WWTPs. Chapter 6 explores the impact of alkaline-thermal pretreatment and AD on polyethylene terephthalate (PET) and polyamide 66 (PA(66)) MPs, while Chapter 7 investigates the effects of ozonation and AD on low-density polyethylene (LDPE), polypropylene (PP), and PA(66) MPs. A meta-analysis was conducted on 509 full-scale WWTPs across 147 peer-reviewed studies, providing a comprehensive overview of MPs concentrations and removal efficiencies at various treatment levels. Results revealed a wide variability in influent MPs concentrations, ranging from a few particles per liter to several thousand, with the wastewater origin being a major influencing factor among those investigated. WWTPs treating industrial and textile wastewaters exhibited significantly higher MPs loads. Median MPs removal efficiencies increased with treatment level, exceeding 90% in WWTPs equipped with tertiary processes, particularly solid/liquid separation and membrane reactors. However, smaller particles (< 100 µm) and fibrous MPs were consistently less efficiently removed, indicating that conventional treatments are less effective for these fractions. Lack of operating data, especially regarding hydraulic and sludge retention times, represented a major limitation for performance assessment and highlighted the urgent need to adopt common rules for minimum data reporting in the scientific literature. To address methodological discrepancies in MPs quantification, a comparative study was carried out using water and sludge samples processed with different analytical methods. Samples were extracted using two different extraction protocols: a simplified one and a more comprehensive procedure involving enzymatic digestion. Then, they were analyzed using three techniques: digital optical microscopy, µFTIR spectroscopy, and pyrolysis-GC-MS. Results revealed significant differences among investigated methods. Optical microscopy, although rapid, was susceptible to operator bias and limited in resolution. µFTIR provided polymer-specific identification with high spatial resolution but showed limitations in detecting smaller particles. Pyrolysis-GC-MS allowed mass-based MPs quantification but is destructive and less effective in capturing morphological information. Notably, enzymatic protocol led to more consistent and effective MPs quantification in complex matrices, such as sludge. As for the analytical techniques none of the tested method proved to be the best. Conversely, the application of a multi-analytical approach was validated through the analysis of samples from three full-scale WWTPs in Northern Italy’s textile district. A positive correlation between MPs and conventional water quality parameters, particularly total suspended solids, was also observed, suggesting their potential use as a site-specific proxy for monitoring MPs concentrations in WWTPs. Finally, to investigate the fate of MPs during sludge stabilization, controlled laboratory experiments were conducted using synthetic sludge spiked with MPs of known type at environmental concentration. Two different sludge pretreatments (i.e., alkaline-thermal and ozonation), followed by mesophilic AD, were evaluated. Results showed that alkaline-thermal pretreatment induced significant degradation of PET MPs, both with mass reduction and spectral alterations, while PA(66) MPs were largely unaffected. Subsequent AD did not lead to further degradation for either polymers. On the other hand, ozonation caused chemical modifications to LDPE and PP MPs, increasing carbonyl index and reducing crystallinity, without significant mass reduction. Again, PA(66) MPs showed limited susceptibility to chemical alterations. These results suggest that, although pretreatments may initiate partial degradation or oxidation of specific microplastics, complete mineralization is not achieved under standard operational conditions. This PhD research confirms that a holistic approach is required to address the MPs challenges in WWTPs, combining effective and robust removal strategies, standardized analytical methods, and a deep understanding of treatment-induced alterations. Given the increasing regulatory attention, particularly with the revision of the European Urban Wastewater Treatment Directive (2024), the development of reliable monitoring protocols and effective treatment solutions is crucial to reduce MPs emissions and ensure the safe reuse of treated water and biosolids within a circular economy framework.

Le microplastiche (MPs) sono emerse come una preoccupazione ambientale globale a causa della loro persistenza, ubiquità e dei potenziali impatti a lungo termine sugli ecosistemi e sulla salute umana. Gli impianti di depurazione delle acque reflue (ID) sono stati identificati sia come efficaci barriere che come potenziali fonti di rilascio ambientale di MPs, configurandosi come punti strategici per l’implementazione di strategie di mitigazione. Sebbene gli ID possano raggiungere elevate efficienze di rimozione, soprattutto quando vengono adottati trattamenti terziari e avanzati, non sono progettati specificamente per trattenere o eliminare le MPs, e una frazione sostanziale di queste viene trasferita e concentrata nei fanghi di depurazione. Inoltre, gli ID vengono sempre più considerati come bioraffinerie delle acque reflue, ovvero sistemi che, oltre a svolgere la funzione di trattamento degli acque di scarico, mirano alla valorizzazione delle acque reflue attraverso la produzione di bioprodotti di valore (es. fertilizzanti e biogas) e al recupero di risorse quali energia, nutrienti e acqua depurata. A causa dell’elevato contenuto di sostanza organica e nutrienti, il fango di depurazione è sempre più considerato una risorsa preziosa, spesso stabilizzato e riutilizzato come ammendante del suolo in agricoltura e in altri settori. Tuttavia, questa pratica solleva preoccupazioni legate alla presenza di MPs, in particolare per quanto riguarda il loro potenziale di reintroduzione e accumulo a lungo termine nell’ambiente. Sebbene la letteratura scientifica esistente abbia sottolineato la necessità di strategie più efficaci per la gestione delle MPs negli ID, permangono significative lacune, in particolare in tre aree chiave, che sono affrontate in questa tesi di dottorato: i) comprendere il destino e il comportamento delle MPs lungo l’intero processo di trattamento negli impianti a scala reale, con particolare attenzione alle condizioni operative e ad altri fattori rilevanti; ii) migliorare l’accuratezza e la comparabilità dei metodi di estrazione e quantificazione; iii) indagare gli effetti dei pretrattamenti dei fanghi e della successiva digestione anaerobica (DA) sulla trasformazione chimico-fisica delle MPs. Per affrontare queste sfide, sono stati sviluppati cinque capitoli, interconnessi tra loro (Capitoli 3 - 7). Il Capitolo 3 presenta una meta-analisi completa della letteratura disponibile sulla presenza di MPs negli ID a scala reale. I Capitoli 4 e 5 si concentrano sulla valutazione di diversi protocolli analitici per l’estrazione e la quantificazione delle MPs, includendo un approccio multi-laboratorio e testando sia campioni liquidi che solidi raccolti da tre ID che ricevono reflui con un rilevante contributo tessile. Il Capitolo 6 esplora l’impatto del pretrattamento termo-alcalino e della digestione anaerobica su MPs di polietilene tereftalato (PET) e poliammide 66 (PA(66)), mentre il Capitolo 7 analizza gli effetti dell’ozonizzazione e della digestione anaerobica su MPs di polietilene a bassa densità (LDPE), polipropilene (PP) e PA(66). È stata condotta una meta-analisi su 509 impianti a scala reale, considerando 147 studi pubblicati su riviste scientifiche sottoposte a peer-review e fornendo una panoramica dettagliata delle concentrazioni e delle efficienze di rimozione delle MPs nei diversi stadi di trattamento. I risultati hanno evidenziato un’ampia variabilità nelle concentrazioni in ingresso, da poche particelle per litro fino a diverse migliaia, influenzate in particolare dall’origine delle acque reflue tra i fattori investigati. Gli impianti che trattano reflui industriali e tessili presentavano carichi di MPs significativamente più elevati. Le efficienze mediane di rimozione aumentavano con il livello di trattamento, superando il 90% negli impianti dotati di trattamenti terziari, in particolare separazione solido/liquido e reattori a membrana. Tuttavia, le particelle più piccole (< 100 µm) e le MPs fibrose venivano rimosse con minore efficienza, indicando che i trattamenti convenzionali sono meno efficaci per queste frazioni. La mancanza di dati operativi, in particolare i tempi di ritenzione idraulica e dei fanghi, ha rappresentato un limite importante per la valutazione delle prestazioni, evidenziando l’urgenza di adottare regole comuni per il reporting minimo dei dati nella letteratura scientifica. Per affrontare le discrepanze metodologiche nella quantificazione delle MPs, è stato condotto uno studio comparativo utilizzando campioni d’acqua e fango analizzati con diversi metodi analitici. I campioni sono stati sottoposti a due protocolli di estrazione: uno semplificato e uno più completo, che includeva digestione enzimatica. Successivamente, sono stati analizzati con tre tecniche: microscopia ottica digitale, spettroscopia µFTIR e pirolisi-GC-MS. I risultati hanno evidenziato differenze significative tra i metodi esaminati. La microscopia ottica, sebbene rapida, era soggetta a bias dell’operatore e limitata nella risoluzione. La µFTIR permetteva l’identificazione polimerica con alta risoluzione spaziale, ma mostrava limiti nel rilevare le particelle più piccole. La pirolisi-GC-MS consentiva una quantificazione delle MPs in termini di massa, ma era distruttiva e poco adatta a fornire informazioni morfologiche. In particolare, il protocollo enzimatico ha fornito una quantificazione più coerente ed efficace in matrici complesse come il fango. Nessuna delle tecniche analitiche testate si è rivelata la migliore in assoluto; al contrario, l’approccio multi-analitico è stato validato analizzando campioni provenienti da tre ID a scala reale situati nel distretto tessile del Nord Italia. È stata inoltre osservata una correlazione positiva tra MPs e parametri convenzionali della qualità dell’acqua, in particolare i solidi sospesi totali, suggerendo il loro potenziale utilizzo come proxy sito-specifico per il monitoraggio delle concentrazioni di MPs negli ID. Infine, per indagare il destino delle MPs durante la stabilizzazione dei fanghi, sono stati condotti esperimenti controllati in laboratorio utilizzando fango sintetico addizionato con MPs di tipo noto e a concentrazioni ambientali. Sono stati valutati due diversi pretrattamenti dei fanghi (termico-alcalino e ozonizzazione), seguiti da digestione anaerobica mesofila. I risultati hanno mostrato che il pretrattamento termo-alcalino ha indotto una degradazione significativa delle MPs di PET, sia in termini di riduzione di massa che di alterazioni spettrali, mentre le MPs di PA(66) sono risultate in gran parte non influenzate dal pretrattamento. La successiva DA non ha portato a ulteriori degradazioni per nessuno dei due polimeri. Al contrario, l’ozonizzazione ha causato modifiche chimiche alle MPs di LDPE e PP, con aumento dell’indice carbonilico e riduzione della cristallinità, ma senza riduzione significativa della massa. Anche in questo caso, le MPs di PA(66) hanno mostrato una limitata suscettibilità alle alterazioni chimiche. Questi risultati suggeriscono che, sebbene i pretrattamenti possano innescare una parziale degradazione o ossidazione di alcune microplastiche, la mineralizzazione completa non è raggiunta in condizioni operative standard. Questa ricerca di dottorato conferma che per affrontare le sfide poste dalle MPs negli ID è necessario un approccio olistico, che combini strategie di rimozione efficaci e robuste, metodi analitici standardizzati e una comprensione approfondita delle alterazioni indotte dai trattamenti. Considerata l’attenzione normativa crescente, in particolare con la revisione della Direttiva Europea sul Trattamento delle Acque Reflue Urbane (2024), lo sviluppo di protocolli affidabili di monitoraggio e soluzioni di trattamento efficaci è cruciale per ridurre le emissioni di MPs e garantire il riutilizzo sicuro delle acque trattate e dei fanghi di depurazione, in un’ottica di economia circolare.