Soluzioni Naturali Innovative per la Rimozione dei Nutrienti dalle Acque Reflue: Progettazione di un Reattore a Microalghe Automatizzato con Sensori e di un Sistema di Fitodepurazione utilizzante Biochar come Mezzo di Riempimento

Traditional tertiary wastewater treatment systems increasingly face limitations in terms of operational costs, nutrient recovery capacity, and environmental sustainability. This thesis addresses these challenges through the development and design of two modular technologies, based on nature-based treatment solutions aimed at resource recovery and ecological integration. The proposed configuration is structured with two systems, designed to operate in sequence within a single integrated tertiary treatment line, maximizing nutrient removal and process stability. The first technology consists of a sensor-automated microalgae reactor, designed for the advanced removal of nitrogen and phosphorus through intracellular assimilation by the microalgae themselves. The integration of a real-time monitoring system allows for the optimization of photosynthetic and purification conditions, while the resulting algal biomass can be valorized for the production of bioenergy, biofertilizers, or other by-products, following a circular economy model. The second solution is a natural treatment unit configured as a horizontal subsurface flow constructed wetland, enhanced with biochar within the filter bed. This passive, low-energy system combines macrophyte-assisted phytoextraction with the adsorptive and catalytic properties of biochar to remove residual nutrients and micropollutants. Its adaptability and scalability make it suitable for decentralized or environmentally sensitive contexts. Both modules were developed within the framework of the SEACURE project (Sustainable Effluent Advanced Control and Upcycling for Recovery of Energy and Resources), with design parameters defined based on real influent characterization data from the Jesi wastewater treatment plant (Esino River basin, Marche, Italy), a site subject to significant urban and environmental pressures. The work, structured in a bibliographic research phase followed by an applied design phase, led to the preliminary sizing of the systems, in compliance with the most recent European regulations, including the Water Framework Directive (2000/60/EC) and the new Urban Wastewater Treatment Directive (EU) 2024/3019. This study highlights how innovative, sustainable, and automated solutions can serve as concrete alternatives to conventional treatment approaches, contributing to improved wastewater quality, the recovery of nutrients and biomass, and the ecological transition in complex scenarios.

I tradizionali sistemi di trattamento terziario delle acque reflue mostrano crescenti limiti in termini di costi operativi, capacità di recupero dei nutrienti e sostenibilità ambientale. Questo elaborato affronta tali criticità attraverso lo sviluppo e la progettazione di due tecnologie modulari, basate su soluzioni depurative di tipo naturale, orientate al recupero delle risorse e all’integrazione ecologica. La nuova configurazione proposta è strutturata con due sistemi, concepiti per operare in sequenza, all’interno di un’unica linea integrata di trattamento terziario, massimizzando la rimozione dei nutrienti e la stabilità del processo. La prima tecnologia consiste in un reattore a microalghe automatizzato mediante sensori, progettato per la rimozione avanzata di azoto e fosforo attraverso l’assimilazione intracellulare da parte delle microalghe stesse. L’integrazione di un sistema di monitoraggio in tempo reale consente l’ottimizzazione delle condizioni fotosintetiche e depurative, mentre la biomassa algale prodotta può essere valorizzata per la generazione di bioenergia, biofertilizzanti o altri sottoprodotti, secondo un modello di economia circolare. La seconda soluzione è rappresentata da una unità di trattamento naturale con configurazione wetland a flusso subsuperficiale orizzontale, potenziata con biochar all’interno del letto filtrante. Questo sistema passivo, a basso consumo energetico, sfrutta i meccanismi combinati della fitoestrazione da parte delle macrofite e della capacità adsorbente e catalitica del biochar per la rimozione di nutrienti residui e microinquinanti. La sua adattabilità e scalabilità lo rendono idoneo anche per contesti decentrati o sensibili. Entrambi i moduli sono stati sviluppati nell’ambito del progetto SEACURE (Sustainable Effluent Advanced Control and Upcycling for Recovery of Energy and Resources), con parametri progettuali definiti sulla base dei dati di caratterizzazione reale dell’influente dell’impianto di depurazione di Jesi (bacino del fiume Esino, Marche), area soggetta a pressioni urbane e ambientali rilevanti. L’attività, articolata in una fase di ricerca bibliografica e in una successiva fase applicativa, ha condotto al dimensionamento preliminare dei sistemi, tenendo conto delle normative europee più recenti, tra cui la Direttiva Quadro sulle Acque (2000/60/CE) e la nuova Direttiva sul trattamento delle acque reflue urbane (UE) 2024/3019. Il presente studio evidenzia come soluzioni innovative, sostenibili e automatizzate possano rappresentare alternative concrete ai trattamenti convenzionali, contribuendo al miglioramento della qualità delle acque reflue, al recupero di nutrienti e biomassa, e alla transizione ecologica in scenari complessi.