Hydrodynamic Cavitation and Landfill Leachate Treatment Optimization for the Removal of Organic and Inorganic Contaminants

Several technologies have proven effective for the treatment of water, wastewaters, and leachates, yet various limitations have been identified regarding the removal of specific classes of contaminants and the excessive use of energy and reagents. The first part of this thesis focused on constructing a hydrodynamic cavitation system that utilizes a Venturi tube specifically designed to favor the formation of nanobubbles. Ten prototypes were developed following a Design of Experiment (DoE) approach, and the best one was selected and built in stainless steel based on tests performed by connecting a cavitation device to a laser scattering device and measuring the bubble characteristics. The performance of the cavitation system was investigated for the degradation of humic acid, dyes, and emerging contaminants. The second part of the work involved developing a process for treating landfill leachate containing ammonia, metals, and PFAS. This process integrated steps of (i) biological oxidation of organic material, (ii) anaerobic biological reduction of nitrogen compounds, (iii) membrane filtration, (iv) physico-chemical treatment of the resulting water, and (v) stabilization and thermal treatment of the produced sludge. During each phase, the presence of contaminants was studied using various analytical techniques (UV-Vis, ICP-MS, HPLC-MS, IC).

Diverse tecnologie si sono dimostrate efficaci per il trattamento di acque, reflui, e percolati, ma diverse limitazioni sono state individuate riguardo la rimozione di specifiche classi di contaminanti e l’eccessivo uso di energia e reagenti. La prima parte delle attività di questa tesi è stata incentrata sulla costruzione di un sistema di cavitazione idrodinamica che sfrutta un tubo Venturi appositamente progettato per per favorire la formazione di nanobolle. Dieci prototipi sono stati realizzati seguendo un approccio di Design of Experiment (DoE) ed il migliore è stato selezionato e costruito in acciaio inox in base a dei test eseguiti collegando un dispositivo di cavitazione ad un dispositivo di scattering laser e misurando le caratteristiche delle bolle. Le prestazioni del sistema di cavitazione sono state investigate per la degradazione di acido umico, coloranti e contaminanti emergenti. La seconda parte delle attività ha riguardato lo sviluppo di un processo per il trattamento di un percolato di discarica contenente ammoniaca, metalli e PFAS. Il processo ha integrato processi di i) ossidazione biologica di materiale organico, ii) riduzione biologica anaerobica di composti azotati, iii) filtrazione con sistemi a membrana, iv) trattamento chimico-fisico delle acque ottenute, v) inertizzazione e trattamento termico dei fanghi prodotti. Durante ogni attività la presenza di contaminanti è stata studiata usando diverse tecniche analitiche (UV-Vis, ICP-MS, HPLC-MS, IC).