Phosphorous removal and recovery methods. An application on a real municipal wastewater treatment plant.

Phosphorous (P) is a key element in the global food supply but its availability is coming to an end, because P is a non-renewable resource. Furthermore, the accumulation of phosphorous in the wastewater is one of the main causes of eutrophication. This, in addition to P depletion, leads to the need to adopt technologies to remove and recover P from the wastewater treatment plants (WWTP), also in a circular economy perspective. Specifically, the removal and recovery of P concentration from the sludge line of WWTP may result into an improvement in the P removal from the mainstream of WWTP. Many studies have been focused on this topic in the last years and many methods linked to both P removal and recovery are available in the scientific literature. These include biological- and chemical-based technologies and many experimental pilot plants have been realized to test the best plant configuration also from an economic and operational point of view. In some cases, the products of the chemical precipitation could be reused in agriculture, as in the case of the struvite and hydroxyapatite that can be used as slow-release fertilizers. Both struvite and hydroxyapatite precipitation take place according to determinate pH values and reagents kinds and doses. According to the National Strategy of Intelligent Specialization (SNSI), the theme of research, financed by the Italian Ministry of University and Research (MUR) through the National Operational Programme "Research and Innovation 2014- 2020" (PhD fellowship, grant number DOT130UZWT n. 2), consists in looking at the water purification world as a "Smart Factory". After the analysis of P removal and recovery methods currently present in scientific literature, P recovery in form of struvite and hydroxyapatite from the centrate deriving from a centrifuge of the WWTP of Andria Municipality was investigated at varying pH values and reagents kinds and concentrations. The analyses were carried out both physically and informatic (using the Visual MINTEQ software) and led to comparable results. The best result found at the end of the experimental campaign highlighted a maximum P recovery of 87.3% leading to an estimated quantity of 92.0 tons/years and 33.2 tons/years of struvite and hydroxyapatite, respectively, recovered from the WWTP of Andria. By an economic estimation of the reagent costs, the consumption of them is almost 50% of the mean P market value. Testing the method on other WWTP and carrying out an analysis of the potential environmental impacts (Life Cycle Assessment) could lead to a large-scale application of the method.

Il fosforo (P) è un elemento chiave nell’approvvigionamento alimentare mondiale ma la sua disponibilità sta giungendo al termine, dal momento che il fosforo è una risorsa non rinnovabile. Inoltre, l’accumulo di fosforo nelle acque reflue è una delle cause principali di eutrofizzazione. Ciò, in aggiunta al previsto esaurimento del fosforo, conduce alla necessità di tecnologie di rimozione e recupero dagli impianti di trattamento delle acque reflue, anche in prospettiva di un’economia circolare. Inoltre, la rimozione e la riduzione della concentrazione del fosforo dalla linea fanghi dell’impianto di trattamento può comportare un miglioramento della rimozione del fosforo dalla linea di trattamento principale dell’impianto. Molti studi si sono focalizzati su questo argomento negli ultimi anni e nella letteratura scientifica sono disponibili molti metodi legati alla rimozione e al recupero del fosforo. Questi studi includono metodi biologici e chimici e sono stati realizzati molti impianti pilota sperimentali per testare le migliori configurazioni impiantistiche, sia da un punto di vista economico che operativo. In alcuni casi il prodotto della precipitazione chimica può essere riutilizzato in agricoltura, come nel caso della struvite e dell’idrossiapatite che possono essere utilizzati come fertilizzanti a lento rilascio. Sia la formazione della struvite che quella dell’idrossiapatite avvengono in base a determinati valori di pH e di concentrazione dei reagenti ed entrambe richiedono precise condizioni di equilibrio chimico. In accordo con la Strategia Nazionale di Specializzazione Intelligente (SNSI), il tema della ricerca, finanziato dal Ministero dell'Università e della Ricerca (MUR) attraverso il Programma Operativo Nazionale "Ricerca e Innovazione 2014-2020" (borsa di dottorato, grant number DOT130UZWT n. 2), consiste nel considerare il mondo della depurazione dell'acqua come una "Fabbrica Intelligente ". Dopo l’analisi dei metodi di recupero e rimozione del fosforo attualmente presenti nella letteratura scientifica è stato indagato il recupero di fosforo, in forma di struvite ed idrossiapatite, dal centrato dell’impianto di trattamento delle acque reflue municipali del Comune di Andria, a diversi pH e diverse concentrazioni di reagenti. Le analisi sono state effettuate sia per via fisica che informatica (mediante il software Visual MINTEQ) ed hanno condotto a risultati comparabili tra loro. Il miglior risultato riscontrato al termine della campagna sperimentale ha evidenziato un recupero massimo di P dell' 87.3% che ha portato ad una quantità stimata annua di 92,0 tonnellate e 33,2 tonnellate di struvite e idrossiapatite, rispettivamente, recuperati dall’impianto di depurazione di Andria. Da una stima economica dei costi dei reagenti, il loro consumo è risultato essere circa la metà del valore di mercato del fosforo. Testando il metodo su altri impianti di depurazione ed effettuando una analisi dei potenziali impatti ambientali (Life Cycle Assessment) si potrebbe giungere ad un'applicazione del metodo su larga scala.