Nuove tecnologie sperimentali per la rimozione del fosforo dalle acque reflue.

Mauro Icardi

Il problema dei nutrienti rilasciati nei corpi idrici, in particolare azoto e fosforo, era già emerso tra la metà degli anni 70 e i primi anni 80. Le fioriture algali nel mare Adriatico, con la conseguente ricaduta negativa nel settore turistico, furono trattate ampiamente nei servizi giornalistici, soprattutto televisivi, in quel periodo.

Per quanto riguarda il trattamento di rimozione del fosforo, esso è sempre risultato leggermente più complesso di quello dell’azoto. Questo perché da sempre, i limiti per questo parametro erano più restrittivi rispetto a quelli dell’azoto. La legge 319/76 (Legge Merli) prevedeva per il fosforo un valore limite di 0,5 mg/lt.   Questo valore si applicava a tutti gli impianti che recapitavano gli scarichi in particolari zone, maggiormente vulnerabili a rischi di eutrofizzazione. In particolare i laghi e i corsi d’acqua ad essi afferenti per un tratto di 10 Km dalla loro immissione nel lago; le aree lagunari e i laghi salmastri; le zone umide.

Attualmente il dlgs 152/2006 vigente, ha recepito la direttiva quadro 2060/CE che mira a conseguire la classificazione di “buono stato ecologico e chimico” per tutte le acque superficiali. Quindi non solo per quelle specificate nella ormai abrogata Legge Merli. In caso di situazioni critiche, per qualunque corso d’acqua ritenuto vulnerabile, si possono stabilire limiti allo scarico più restrittivi.

Con il trattamento di depurazione biologica a fanghi attivi tradizionale la percentuale di abbattimento del fosforo normalmente si attestava intorno a valori percentuali pari al 45-50%. Non era quindi possibile rispettare il valore limite che, generalmente è sempre stato fissato tra 0,5 e 1 mg/lt. Le acque reflue possono contenere da 5 a 20 mg/l di fosforo totale, di cui 1-5 mg/l rappresentano la frazione organica, ed il resto è la parte inorganica. Il contributo pro capite di fosforo varia tra 0.65 e 4.80 g/abitante/ giorno, con una media di circa 2.18 g.

Il fosforo contenuto nelle acque reflue si riscontra normalmente in queste due specie chimiche:

Ortofosfati: disponibili per il metabolismo biologico senza ulteriori scissioni

Polifosfati: molecole con due o più atomi di fosforo, atomi di ossigeno e qualche volta idrogeno, combinati in una molecola complessa. Solitamente i fosfati vanno incontro ad idrolisi e si trasformano in ortofosfati, ma il processo è in genere piuttosto lento.

La principale tecnica per il trattamento di questo inquinante è il trattamento chimico-fisico utilizzando sali trivalenti di ferro, oppure di alluminio se esistono problemi legati al colore.

L’allume o il solfato di alluminio idrato è ampiamente usato per la precipitazione di fosfati e fosfati di alluminio (AlPO4).

Questa la reazione di base: Al3+ + HnPO43-n ↔ AlPO4 + nH+

Il trattamento con sali di alluminio viene maggiormente utilizzato per la chiarificazione di acqua destinata ad uso potabile. Questo perché, nel trattamento delle acque reflue possono svilupparsi maggiori problemi gestionali, legati principalmente ai valori di alcalinità, pH ed elementi in tracce presenti nell’acqua da trattare. Oltre a questo i composti a base di alluminio possono interagire negativamente con la popolazione di protozoi e rotiferi che colonizzano il fango attivo.

Per queste ragioni, il trattamento di precipitazione è effettuato principalmente tramite dosaggio di cloruro ferrico.

Fe3+ + HnPO43-n ↔ FePO4 + nH+

Gli ioni di ferro si combinano per formare fosfato ferrico. Reagiscono lentamente con l’alcalinità naturale e quindi un coagulante, come la calce, viene normalmente aggiunto per aumentare il pH e favorire la coagulazione e la precipitazione.Il cloruro ferrico però tende ad essere aggressivo nei confronti delle strutture ferrose, ed inoltre questo tipo di trattamento produce notevoli quantità di fanghi. Che devono essere smaltiti separatamente, oppure miscelati in proporzione non superiore al 20% con i fanghi biologici, e poi destinati al trattamento di disidratazione.

Per superare questo tipo di problemi, si stanno sperimentando alcune tecniche nuove.

Depurazione con nanoparticelle di ferro.

In questo caso si tratta di ottenere lo stesso effetto della precipitazione chimica, impregnando sferette di resine sintetiche con ioni ferrici. L’acqua da trattare viene fatta passare sulle sferette che trattengono alla loro superficie i composti di fosforo. La rigenerazione del letto o della cartuccia di trattamento si ottiene con soluzione di soda caustica. Il processo non produce fanghi. Rimane aperto il problema della rigenerazione della soluzione esausta, e della possibilità, per ora solo teorica, di recupero del fosforo del fosforo dalla stessa.

Bioreattori con alghe.

Le sperimentazioni di bioreattori contenenti alghe in grado di accumulare i composti di fosforo, sono risultati promettenti dal punto di vista dei rendimenti di rimozione (80-85%), ma costosi per quanto riguarda la rimozione delle alghe stesse dal bioreattore. Per ridurre i costi di estrazione si è pensato di incapsulare le alghe entro sferette di resine biologiche (alginati), derivanti dalle alghe stesse. Le sferette essendo più pesanti dell’acqua tendono a sedimentare. Quindi per questo utilizzo è necessario utilizzare un reattore a letto fluido. Le sferette di alghe ricche di fosforo potrebbero trovare impiego diretto come fertilizzanti. In alternativa essere inviate al processo di digestione anaerobica. La parte gassificabile sarebbe convertibile in energia, il residuo solido (digestato), arricchito in fosforo potrebbe essere utilizzato come materia prima di recupero o fertilizzante.

Fitodepurazione reattiva combinata.

In questo caso il trattamento del fosforo avviene in un impianto di fitodepurazione a canneto. L’ambiente acquatico viene arricchito in ioni calcio utilizzando scorie di acciaieria . Normalmente questo sottoprodotto possiede concentrazioni in calcio dell’ordine dei 130-150 g/Kg. Il calcio fa precipitare il fosforo sotto forma di fosfato, e può venire aspirato dal bacino di fitodepurazione e successivamente filtrato. Il processo è in fase di sperimentazione in Inghilterra da parte della società pubblica Severn Trent Water, che gestisce il ciclo idrico nella zona di Nottingham e Derby.

Sono da valutare in questo caso le possibili destinazioni d’uso del fosfato di calcio ottenuto. In particolare verificando la contaminazione da metalli, prima di deciderne la destinazione finale. E ovviamente anche la sostenibilità economica.

Recupero per via elettrochimica.

Una delle tecniche usate per il recupero del fosforo è quella di precipitarlo sotto forma di struvite, cioè fosfato di magnesio e ammonio esaidrato (NH4)MgPO4·6(H2O). Per ottenere la struvite è necessario aggiungere sali di magnesio e soda, per regolare il pH. Il processo tedesco ePhos ® (Electrochemical Process for Phosphorus Recovery), sviluppato dal Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology di Stoccarda riesce può essere utilizzato per rimuovere fosforo dalle acque reflue.

Il processo si basa sull’utilizzo di una cella elettrolitica con un anodo in magnesio. L’azione alcalinizzante è sviluppata dall’ossidazione al catodo dell’acqua, con produzione di idrogeno gassoso e ioni OH(ione idrossile).

Non vi è quindi la necessità di utilizzare prodotti chimici, ottenendo un prodotto di alta purezza.

La struvite ottenuta con questo processo può quindi essere utilizzata direttamente come fertilizzante a lento rilascio. Il prodotto riesce ad essere assimilato meglio dalle piante rispetto ai normali fertilizzanti commerciali, quali il nitrato d’ammonio o il perfosfato (conosciuto comunemente con il nome di superfosfato). La resa di abbattimento del fosforo dai reflui utilizzando questa tecnica processo, si attesta su valori pari all’85%,con un consumo energetico pari a 0,78 kWh/mc.

2 pensieri su “Nuove tecnologie sperimentali per la rimozione del fosforo dalle acque reflue.

  1. La Commissione Europea ha inserito le fosforiti tra le materie prime strategiche per l’economia UE [Comunicazione della Commissione al Parlamento Europeo, al Consiglio, al Comitato Economico e Sociale Europeo e al Comitato delle Regioni concernente l’elenco 2017 delle materie prime essenziali per l’UE COM(2017)490].
    Ogni anno, nel Mondo si estraggono 218 milioni di tonnellate delle quali il 44% in Cina, il 13% in Marocco e il 13% in USA Il principale uso è come ammendante agricolo [Deloitte Sustainability, British Geological Survey, Bureau de Recherches Géologiques et Minières, Netherlands Organisation for Applied Scientific Research, Study on the review of the list of Critical Raw Materials. Critical Raw Materials Factsheets, 2017] e da queste dipende la grande disponibilità di cibo nel nostro continente e la possibilità di sfamare quell’11% di umanità ancora denutrita [
    United Nation Organization “2030 Agenda for Sustainable Development” settembre 2015, https://sustainabledevelopment.un.org/post2015/transformingourworld%5D. Quindi ben venga il recupero dei fosfati dalle acque.

    • la questione è che questa quantità ha sbilanciato del tutto il ciclo del fosforo anche perchè non viene assorbita del tutto dalle colture e il dilavamento verso l’oceano contribuisce a costruire ampie “zone morte”; inoltre il ritmo dei consumi è superiore a quello sostenibile per cui i giacimenti fosforitici disponibili divengono sempre più esigui ed infine proprio per questo si usano giacimenti con contenuti di metalli pesanti come il camdio che vanno crescendo; la stessa UE ha recentemente posto dei veti e dei limiti in questo senso sollevando gli alti lai dei produttori; dunque il recupero del fosforo ed anche anzi direi soprattutto il suo uso più intelligente in campo agricolo è una necessità assoluta; il fosforo non è fungibile da alcun altro elemento. Che poi i problemi della fame si possano risolvere con il fosforo onestamente non so; direi che ci sono molte questioni relative ai motivi della fame; il fosforo ha certamente spinto i sovraconsumi di cibo nei paesi ricchi, ma non so quanto contribuirà a risolvere i problemi di fame di quelli poveri.

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