Phosphorus recovery from sewage sludge ashes by wet chemical extraction : a focus on the precipitation step

Phosphorus is a vital substance in human life, being a fundamental element for the formulation of fertilizers in agriculture. Unfortunately, it faces progressive shortage nowadays, and like other non-renewable sources, this element will sooner or later be depleted. Extracting phosphorus from waste streams that contain phosphorus can be a good alternative, especially sewage sludge ashes (SSA) which have a high amount of phosphorus (around 8%). For this reason, this study focused on the recovery of phosphorus from SSA. The wet chemical leaching method was used in this work because of its simplicity, good recovery rate, feasibility, and applicability at large scale. In detail, this work describes laboratory experiments aimed at investigating the capacity of combined acid leaching and subsequent precipitation to recover phosphorus as a plant available fertilizer from SSA. Four samples from an incinerator near Milan were collected and leached by sulfuric acid under optimal operating conditions (0.1M H2SO4, liquid-to-solid ratio of 20, reaction time of 2 hours). In the precipitation step, some preliminary tests were performed by NaOH to determine samples behaviour at different pH and rest time. pH 2.5, 3.5, 5, 8, and 2 hours as rest time were set as operating conditions for main precipitation experiments. In these tests, NaOH, Ca(OH)2, and KOH were used to precipitate materials to investigate pH and reagent conditions resulting in high phosphorus extraction and low heavy metal contamination. Finally, high enriched phosphorus product was obtained (mean value of 16%) but heavy metals in the recovered material were beyond the European limits for content in fertilizer, indicating the need for pre-treatments or purification processes.

Il fosforo è una sostanza vitale per gli esseri umani ed è un elemento fondamentale per la formulazione di fertilizzanti in agricoltura. Attualmente, le riserve minerarie si stanno progressivamente riducendo e, come altre fonti non rinnovabili, questo elemento è destinato all’esaurimento. L'estrazione del fosforo dai flussi di rifiuti che contengono fosforo può essere una buona alternativa. In particolare, le ceneri derivanti dall’incenerimento dei fanghi di depurazione contengono un'elevata quantità di fosforo (pari circa all'8%). Per questo motivo, questo studio si è concentrato sul recupero del fosforo da tali ceneri. Un’alternativa valida è rappresentata dal processo di lisciviazione chimica ad umido per via della semplicità, del buon tasso di recupero, della fattibilità e dell’applicabilità su larga scala. Le attività sperimentali sono state indirizzate a studiare la capacità di estrazione mediante tale processo, finalizzata al recupero del fosforo come fertilizzante, con particolare interesse per la fase di precipitazione. Il processo di lisciviazione è stato applicato a quattro campioni provenienti da un inceneritore nell’area di Milano, utilizzando condizioni ottimali secondo la letteratura, ovvero 0,1 M H2SO4, rapporto liquido-solido di 20 e tempo di interazione di 2 ore. Nella fase di precipitazione, alcuni test preliminari sono stati eseguiti con NaOH per determinare il comportamento dei campioni a diversi pH e tempi di riposo. Successivamente, un piano sperimentale più ampio è stato condotto a pH 2,5, 3,5, 5, 8 e 2 ore come tempo di riposo. Come agenti precipitanti sono stati utilizzati NaOH, Ca(OH)2 e KOH. In questo modo, si sono indagati l’efficienza di recupero di fosforo e il contenuto di metalli pesanti. La sperimentazione ha permesso di ottenere un prodotto ad alto tenore di fosforo (valore medio del 16%) ma i metalli pesanti nel materiale recuperato si sono rivelati oltre i limiti europei per il contenuto di queste sostanze nei fertilizzanti, cosicché si è mostrata la necessità di pre-trattamenti o altri processi di purificazione.