DEPURATION OF CITRUS PROCESSING WASTEWATER IN AERATED LAGOONS: OPTMISATION OF OPERATIVE CONDITIONS AND DESIGN OF AN AUTOMATED CONTROL SYSTEM

Aerated lagoon systems are widely adopted as a robust solution for the treatment of agro-industrial wastewaters, particularly where operational simplicity, low capital costs and high hydraulic flexibility are required. Their performance is strongly influenced by oxygen transfer efficiency, organic load and nutrient availability. In high-strength effluents characterised by inhibitory compounds and extreme variability of conditions, the optimisation of aeration strategies is essential for treatment efficiency and energy sustainability. This Ph.D. research explores the optimisation and scale-up of aerated lagoon systems for the treatment of citrus-processing wastewater (CPW). This high-strength agro-industrial effluent is characterised by high chemical oxygen demand (COD), acidic pH, severe COD/N imbalance and the presence of essential oils and phenolic compounds. The research was structured into two sequential phases: (i) laboratory-scale optimisation, and (ii) pilot-scale validation based on development and implementation automated aeration control system of dissolved oxygen (DO). At laboratory scale (in 100-L reactors), a one-factor-at-a-time experimental design was adopted to independently evaluate the influence of aeration regime, essential oil concentration and COD/N ratio on depuration efficiency. The results demonstrated that continuous aeration, partial reduction of essential oil concentration (80% dilution with restoration of organic matter) and intermediate nitrogen supplementation significantly enhanced COD and phenol removal, fastened pH stabilisation and promoted microbial activity. These findings identified a robust operational configuration suitable for scale-up. The optimal conditions were subsequently experimented to a 1000-L pilot-scale system consisting of two parallel tanks: one operated under constant aeration and the other equipped with DO-based automated control. Both reactors achieved effective organic matter degradation and phenolic reduction, confirming the scalability of laboratory findings. However, when treating real high-strength CPW, dissolved oxygen concentrations remained persistently below the control threshold due to extremely high oxygen demand. As a consequence, the automated system continuously worked, similarly to the fixed-aeration tank, without an effective aeration modulation or measurable energy savings. These results demonstrate that while aerated lagoons are highly resilient for the treatment of high-strength citrus wastewater, DO-based aeration control is constrained by intrinsic oxygen demand under extreme loading conditions. Automated aeration strategies are therefore more suitable for medium- or low-strength effluents, where dissolved oxygen concentrations can periodically exceed control thresholds and enable effective modulation of blower operation. Overall, this research provides an integrated experimental framework for lagoon optimisation and scale-up, clarifies the operational limits of DO-based automation, and contributes to the rational design of sustainable lagoon systems for agro-industrial wastewater treatment.

I sistemi di lagunaggio aerato rappresentano una soluzione ampiamente diffusa ed affidabile per il trattamento di reflui agro-industriali, in particolare laddove sono richieste semplicità gestionale, flessibilità idraulica e contenuti costi di investimento/gestione. Le prestazioni di tali sistemi dipendono strettamente dall’efficienza del trasferimento di ossigeno, dal carico organico dei reflui e dall’equilibrio dei nutrienti del refluo trattato. In presenza di effluenti ad elevato carico organico, caratterizzati da alta concentrazione composti inibenti e forte variabilità delle condizioni operative, l’ottimizzazione delle strategie di aerazione diventa determinante per l’efficienza depurativa e la sostenibilità energetica del processo. La presente ricerca ha valutato l’ottimizzazione e l’“upscaling” di sistemi di lagunaggio aerato per il trattamento delle acque reflue prodotte dalla lavorazione degli agrumi (ARA). Tali effluenti agro-industriali presentano un alto carico organico, caratterizzato da elevato COD, pH acido, forte squilibrio del rapporto COD/N e presenza di oli essenziali e composti fenolici. La ricerca si è articolata in due fasi successive: (i) ottimizzazione su scala di laboratorio e (ii) validazione su scala pilota e sviluppo/implementazione di un sistema di controllo automatico dell’aerazione basato sulla misura dell’ossigeno disciolto (OD) in tempo reale. Nella fase di laboratorio (reattori da 100 L), è stato adottato un approccio sperimentale “one-factor-at-a-time” per valutare indipendentemente l’effetto del regime di aerazione, della concentrazione di oli essenziali e del rapporto COD/N sull’efficienza depurativa. I risultati hanno evidenziato che l’aerazione continua, la riduzione del 80% della concentrazione di oli essenziali con ripristino del carico organico e un apporto equilibrato di azoto migliorano significativamente la velocità di rimozione del COD e dei composti fenolici, favoriscono la stabilizzazione del pH e supportano l’attività microbica. Tali condizioni operative sono state individuate come configurazione ottimale per il passaggio alla scala superiore. Tali condizioni ottimali sono state quindi applicate a un impianto pilota da 1000 L costituito da due vasche parallele: una soggetta con aerazione continua a portata costante ed una dotata di sistema automatico di modulazione dell’aerazione basato sulla misurazione dell’OD. Entrambe le vasche hanno mostrato una rapida neutralizzazione del pH e un’elevata rimozione della sostanza organica, confermando la trasferibilità dei risultati ottenuti in laboratorio. Tuttavia, nel trattamento di ARA reali ad alto carico organico, la concentrazione di ossigeno disciolto è rimasta costantemente al di sotto della soglia di controllo a causa dell’elevatissima domanda di ossigeno. Di conseguenza, il sistema automatico ha operato in modo continuo, analogamente alla vasca di controllo, senza consentire un’effettiva modulazione dell’aerazione né un risparmio energetico misurabile. I risultati dimostrano che i sistemi di lagunaggio aerato sono altamente efficaci nel trattamento delle acque reflue agrumarie anche in condizioni di carico organico elevato, ma che il controllo automatico basato sul DO è limitato dall’elevata domanda di ossigeno intrinseca a tali reflui. La modulazione automatica dell’aerazione risulta più vantaggiosa nel trattamento di reflui a carico medio o ridotto, in cui le concentrazioni di ossigeno possono superare periodicamente le soglie di controllo, consentendo una reale flessibilità operativa. Nel complesso, la ricerca fornisce un quadro sperimentale integrato per l’ottimizzazione e l’upscaling di sistemi di lagunaggio aerato, chiarisce i limiti operativi del controllo basato sull’OD e contribuisce alla progettazione razionale di sistemi a maggiore consapevolezza energetica per il trattamento di reflui agro-industriali.