Zero Mile: validation, prototyping and scale up of a system for dishwasher wastewater upcycling

The growing demand of fresh water and its huge consumption, despite its limited availability, along with the important production of wastewater, represent critical social and environmental challenges worldwide. Given these challenges, responsible wastewater management becomes essential. Properly managed wastewater not only addresses water consumption issues, but also opens up possibilities for its recycling and reuse, in the framework of circular economy. Wastewater from domestic appliances, such as dishwashers and washing machines, is rarely considered a recoverable and exploitable water resource. Although dishwasher wastewater is nutrient-rich (due to leftovers) and have low levels of pathogens, heavy metals, and pharmaceuticals, it is not reused because it is produced in small amounts and from point sources. Within the framework of The Jetsons’ Kitchen project, which focuses on reusing and upcycling kitchen greywaters, starting with dishwasher wastewater, the Zero Mile System was designed. It is a dishwasherintegrated system with an indoor vertical garden, which allows to reuse dishwasher wastewaters both in the following first dishwasher rinsing and in the indoor cultivation of edible or ornamental plants. The core of the Zero-Mile system is a biofilter that contains an ad hoc engineered microbial consortium composed by selected different microorganisms able to process and mineralize the food leftovers. Specifically, this consortium consists of two different microbial partners: a photosynthetic, filamentous, and nitrogen-fixing cyanobacterium (Trichormus variabilis, VRUC168 from the Tor Vergata Rome University Collection) and three heterotrophic aerobic bacterial strains, isolated from a dishwasher wastewater. The cyanobacteria provide oxygen for the catalytic activities of the heterotrophic bacteria through photosynthesis, while the heterotrophic partners consume the organic matter, mineralizing nutrients and releasing CO2 that, in turn, is used by the cyanobacteria for its photosynthetic activity. This specific microbial engineering gives the consortium intrinsic properties for the bioprocessing of dishwasher wastewater. The first study on this consortium showed that it can thrive in raw dishwasher wastewater and reduce its nutrient load under batch conditions in 48 hours. This industrial PhD project was dedicated to evaluate the robustness and efficiency of the microbial consortium while it was progressively scaled up from laboratory-level to a real operational scale. The research was conducted simultaneously from both the biological and design perspective, combining a multidisciplinary approach. Initially, the project focused on the eco-physiology of the consortium, to determine and optimize the best abiotic conditions for its growth. Subsequently, the consortium's survival under different operational conditions was evaluated by changing tap water, dishwasher machine, and biodegradable detergent, compared to the previous study. The experimental settings were i) gradually modified to simulate the Zero Mile operational conditions, which imply the regular input of wastewater into the biofilter, and ii) progressively scaled up to achieve realistic operative conditions, from small lab-batches to the total volume of discharged dishwasher wastewater. The project's later stages focused on evaluating the efficiency of bioremediation in nutrient removal, particularly nitrogen and phosphorus, across the various experimental conditions. Lastly, the bioremediated wastewater was successfully utilised in edible plants watering. This last point, integrating the dishwasher wastewater management with the food production, framed the project in the circular economy and sustainable development framework as focused by the Agenda 2030 (Goal #6 Clean water and Sanitation). The biological findings offered crucial insights into the design of the biofilter container, which includes the microbial consortium, and the entire Zero Mile System.

La crescente richiesta di acqua dolce e il suo massivo consumo, a fronte di una disponibilità limitata, insieme alla consistente produzione di acque reflue che ne riducono la quantità e ne depauperano la qualità rappresentano sfide sociali e ambientali cruciali in tutto il mondo. Date queste sfide, la gestione responsabile delle acque reflue diventa essenziale. Una corretta gestione delle acque reflue, non solo risolve i problemi legati al consumo idrico, ma offre anche possibilità di riciclo e riutilizzo di questa risorsa, aderendo perfettamente al concetto di economia circolare. Le acque reflue degli elettrodomestici, come lavastoviglie e lavatrici, raramente sono considerate una risorsa idrica recuperabile e sfruttabile, sebbene le acque reflue delle lavastoviglie siano ricche di sostanze nutritive (a causa degli avanzi) e contengano bassi livelli di agenti patogeni, metalli pesanti e prodotti farmaceutici. Esse non vengono riutilizzate perché prodotte in piccole quantità e da sorgenti puntiformi. Nell’ambito del progetto The Jetsons’ Kitchen, che si concentra sul riutilizzo e sul riciclo delle acque grigie della cucina, è stato progettato il Sistema Zero Mile dedicato al riuso delle acque reflue delle lavastoviglie. Questo sistema include una lavastoviglie e un orto verticale, che in combinazione consentono di riutilizzare le acque reflue della lavastoviglie sia nel primo risciacquo del successivo ciclo di lavaggio della lavastoviglie, sia nella coltivazione indoor di piante commestibili o ornamentali. Il cuore del Sistema Zero Mile è un biofiltro costituito da un consorzio microbico progettato ad hoc, composto da microrganismi diversi e selezionati per degradare e mineralizzare gli avanzi di cibo. Nello specifico, questo consorzio è composto da due diverse classi di partner microbici: un cianobatterio fotosintetico, filamentoso e azotofissatore (Trichormus variabilis, VRUC168 della Collezione dell'Università di Roma Tor Vergata) e tre ceppi batterici aerobi eterotrofi, isolati dalle acque di scarico di una lavastoviglie. I cianobatteri forniscono ossigeno per le attività catalitiche dei batteri eterotrofi attraverso la fotosintesi, mentre i partner eterotrofi consumano la materia organica, mineralizzando i nutrienti e rilasciando CO2 che a sua volta è utilizzata dai cianobatteri per svolgere l’attività fotosintetica. Questa specifica progettazione conferisce al consorzio proprietà intrinseche che consentono il trattamento biologico delle acque reflue delle lavastoviglie. Il primo studio condotto su questo consorzio ha dimostrato che esso è in grado di vivere e crescere nelle acque reflue delle lavastoviglie riducendone il carico di nutrienti in condizioni di coltura statica in 48 ore. Questo progetto di dottorato industriale è stato dunque dedicato a valutare la robustezza e l’efficienza del consorzio microbico ampliandone progressivamente la scala dal livello di laboratorio a una analoga a quella operativa reale. Simultaneamente, la ricerca è stata svolta oltre che dal punto di vista biologico anche da quello progettuale, in un approccio multidisciplinare. Inizialmente, il progetto si è concentrato sull'eco-fisiologia del consorzio per determinare e ottimizzare le migliori condizioni abiotiche per la sua crescita. Successivamente, è stata valutata la sopravvivenza del consorzio in varie condizioni operative, modificando la fonte di acqua, la lavastoviglie e il detersivo biodegradabile, rispetto al primo studio. Le impostazioni sperimentali sono state poi i) gradualmente modificate per simulare le condizioni operative del Sistema Zero Mile, che implicano l'immissione regolare 3 di acqua reflua nel biofiltro, e ii) progressivamente aumentate di volume per raggiungere condizioni di utilizzo realistiche, da piccoli test di laboratorio al volume totale di refluo scaricato dalla lavastoviglie. È stata valutata anche l'efficienza del consorzio nella rimozione di nutrienti, in particolare azoto e fosforo, alle varie scale sperimentali: l’efficacia del riciclo delle acque reflue biorimediate è tale che possono essere utilmente utilizzate per l’irrigazione di piante commestibili. Quest’ultima fase, integrando la gestione delle acque reflue delle lavastoviglie con la produzione di cibo, realizza il concetto di economia circolare e colloca perfettamente il progetto nel quadro dello sviluppo sostenibile previsto dall’Agenda 2030 (Goal #6 Acqua pulita e Igiene). I risultati biologici hanno offerto spunti cruciali per la progettazione del contenitore del biofiltro, che ospita il consorzio microbico, e dell’intero Sistema Zero Mile.