Oltre Attivo vs. Passivo: Una Valutazione Comparativa del Ciclo di Vita e Strategia di Mitigazione per un Portafoglio di Tecnologie Idriche Industriali

The water industry globally has a dual challenge to address; the increasing number of emerging contaminants in our drinking water supply while at the same time addressing the need for the industry to reduce its carbon footprint by decarbonising its infrastructure so it meets the requirements of net zero emissions. This thesis will fill a major gap in the literature on environmental engineering regarding water treatment technologies which have traditionally been viewed as being one of two types: Active (electricity intensive) or Passive (consumables/material intensive). By conducting a harmonised, life cycle assessment (LCA), cradle-to-grave analysis of a proprietary industrial portfolio of six unique water treatment technologies (from advanced oxidation processes (AOPs) through to passive filtration media) this thesis will provide insights into what may be termed "LCA Mitigation Profiles" that include: Operational-Electric, Operational-Chemical, Maintenance-Consumable and Embodied-Material. Quantitatively, this research demonstrates that the carbon footprint of each of these LCA mitigation profiles has fundamentally different hotspots. Specifically, "Active" systems are predominantly (>98%) driven by the operational electricity associated with their operation. In contrast, "Passive", consumable-based systems are also driven by a significant (>90%), recurring carbon footprint associated with the maintenance/ replacement of the filtration media. One of the key findings from this research is the "Hotspot Swapping" phenomenon whereby an "active" technology can outperform a "passive" technology when operated in a low-carbon electricity grid. Based upon these findings, this thesis presents a new Targeted Carbon Mitigation Framework, providing engineers and policymakers a data-driven decision matrix for selecting the most appropriate decarbonisation strategies - whether renewable procurement, green chemistry or media regeneration - based upon the specific profile of the technology under consideration.

Il settore idrico globale affronta una duplice sfida: garantire la sicurezza delle risorse idriche in presenza di un numero crescente di contaminanti emergenti e, allo stesso tempo, ridurre la propria impronta di carbonio attraverso la decarbonizzazione delle infrastrutture, in linea con gli obiettivi di Net Zero. Questa tesi affronta una lacuna significativa nella letteratura di ingegneria ambientale relativa alle tecnologie di trattamento delle acque, tradizionalmente classificate in due categorie: tecnologie attive (ad alta intensità energetica) e tecnologie passive (ad alta intensità di materiali o consumabili). Attraverso una Valutazione del Ciclo di Vita (Life Cycle Assessment, LCA) armonizzata con approccio cradle-to-grave, lo studio analizza un portafoglio industriale proprietario composto da sei tecnologie di trattamento delle acque, che spaziano dai processi di ossidazione avanzata (AOP) ai sistemi di filtrazione passiva. L’analisi consente di identificare quattro distinti profili di mitigazione LCA: Operativo-Elettrico, Operativo-Chimico, Manutenzione-Consumabili e Materiali Incorporati. I risultati mostrano che l’impronta di carbonio associata a questi profili è determinata da punti critici (hotspots) ambientali differenti. In particolare, nei sistemi attivi l’impatto è dominato dal consumo di elettricità durante la fase operativa, che rappresenta oltre il 98% delle emissioni totali. Al contrario, nei sistemi passivi basati su consumabili l’impatto ambientale è principalmente legato alla sostituzione e manutenzione dei materiali filtranti, responsabili di oltre il 90% dell’impronta di carbonio. Uno dei risultati più rilevanti di questa ricerca è il fenomeno definito “Hotspot Swapping”, secondo il quale una tecnologia attiva ad alta intensità energetica può risultare più sostenibile di una tecnologia passiva quando viene utilizzata in un sistema elettrico a basse emissioni di carbonio. Sulla base di questi risultati, la tesi propone un Targeted Carbon Mitigation Framework, che fornisce a ingegneri e decisori politici una matrice decisionale basata su dati per individuare le strategie di decarbonizzazione più efficaci - quali l’utilizzo di energia rinnovabile, l’adozione di approcci di chimica verde o la rigenerazione dei materiali filtranti - in funzione del profilo ambientale specifico della tecnologia considerata.