INTEGRATED EVALUATION AND EXPERIMENTAL VALIDATION OF WASTEWATER TREATMENT STRATEGIES IN A FULL SCALE BIOREFINERY: FROM FUNCTIONAL ANALYSIS TO BENCH SCALE OPTIMIZATION

This thesis evaluates wastewater treatment performance and optimization needs in a full-scale Italian biorefinery producing hydrotreated vegetable oil (HVO), where the wastewater treatment plant was originally developed for conventional refining conditions. The study combines (i) historical monitoring analysis before and after conversion, (ii) hydraulic balance and flow verification to capture typical and peak loading regimes, (iii) functional analysis of each treatment unit against design criteria, and (iv) bench-scale respirometry (OUR, AUR, NUR) and COD fractionation to experimentally verify biodegradability and inhibition mechanisms. Historical data show a clear “before/after” shift: after conversion the influent became strongly hydrocarbon driven, with reported increases in total hydrocarbons of +2000% to +6000%, accompanied by a moderate COD increase (+100% to +250%) and a smaller change in ammoniacal nitrogen. Percentile-based analysis highlights a shock-load pattern, where a limited number of peak events dominate hydrocarbon and COD stress on downstream units. Flow verification further indicates increased hydraulic variability (especially in 2025), meaning that peak flows not averages must be considered when interpreting instability. The functional assessment identifies the main vulnerabilities as insufficient protection against hydrocarbon peaks upstream of biology and limited robustness under variable hydraulics. Respirometric evidence supports this diagnosis: the heterotrophic yield under non-limiting conditions is within a typical activated-sludge range (≈0.48–0.50 kg VSS/kg COD), but tests with real influent show low respiration close to endogenous levels, and abnormal/oily wastewater suppresses aerobic activity. A key experimental outcome indicating high sensitivity of the biomass to hydrocarbon carryover. Nitrification kinetics are acceptable under normal influent but drop sharply under abnormal wastewater, while denitrification can become carbon limited at peak conditions implying a need for operational control of carbon availability. Overall, the results link observed operational instability (including clarification stress/foam rising risk) to episodic hydrocarbon shocks amplified by hydraulic variability, and they justify an optimization strategy focused on minimizing hydrocarbon peaks reaching the biological stage, strengthening equalization/monitoring, and applying targeted biological process control (C/N) to improve resilience and compliance.

Questa tesi valuta le prestazioni del trattamento delle acque reflue e le esigenze di ottimizzazione in una bioraffineria italiana su larga scala che produce olio vegetale idrotrattato (HVO), il cui impianto di trattamento delle acque reflue è stato originariamente sviluppato per condizioni di raffinazione convenzionali. Lo studio combina (i) analisi di monitoraggio storico prima e dopo la conversione, (ii) bilancio idraulico e verifica del flusso per catturare regimi di carico tipici e di picco, (iii) analisi funzionale di ciascuna unità di trattamento rispetto ai criteri di progettazione e (iv) respirometria su scala industriale (OUR, AUR, NUR) e frazionamento del COD per verificare sperimentalmente la biodegradabilità e i meccanismi di inibizione. I dati storici mostrano un chiaro cambiamento "prima/dopo": dopo la conversione, l'affluente è diventato fortemente influenzato dagli idrocarburi, con aumenti segnalati degli idrocarburi totali da +2000% a +6000%, accompagnati da un moderato aumento del COD (da +100% a +250%) e da una variazione minore dell'azoto ammoniacale. L'analisi basata sui percentili evidenzia un andamento a shock, in cui un numero limitato di eventi di picco domina lo stress da idrocarburi e COD sulle unità a valle. La verifica del flusso indica inoltre una maggiore variabilità idraulica (soprattutto nel 2025), il che significa che nell'interpretazione dell'instabilità è necessario considerare i picchi di portata e non le medie. La valutazione funzionale identifica le principali vulnerabilità come una protezione insufficiente contro i picchi di idrocarburi a monte della biologia e una limitata robustezza in condizioni idrauliche variabili. L'evidenza respirometrica supporta questa diagnosi: la resa eterotrofa in condizioni non limitanti rientra in un intervallo tipico dei fanghi attivi (≈0,48–0,50 kg VSS/kg COD), ma i test con affluente reale mostrano una bassa respirazione prossima ai livelli endogeni e le acque reflue anomale/oleose sopprimono l'attività aerobica. Un risultato sperimentale chiave indica un'elevata sensibilità della biomassa al carryover di idrocarburi. La cinetica della nitrificazione è accettabile in condizioni di affluente normali, ma diminuisce drasticamente in condizioni di acque reflue anomale, mentre la denitrificazione può diventare limitata in termini di carbonio in condizioni di picco, il che implica la necessità di un controllo operativo della disponibilità di carbonio. Nel complesso, i risultati collegano l'instabilità operativa osservata (incluso lo stress da chiarificazione/rischio di formazione di schiuma) agli shock episodici degli idrocarburi amplificati dalla variabilità idraulica e giustificano una strategia di ottimizzazione incentrata sulla riduzione al minimo dei picchi di idrocarburi che raggiungono la fase biologica, sul rafforzamento dell'equalizzazione/monitoraggio e sull'applicazione di un controllo mirato del processo biologico (C/N) per migliorare la resilienza e la conformità.