Phosphorus recovery from sewage sludge inciniration ash

Over the last few decades, there has been a growing understanding of the finite nature of phosphorus supplies and the significance of phosphorus recovery. Municipal wastewater sludge is a phosphorus source worth investigating since modern technology may transfer over 90% of phosphorus from the wastewater to the sludge fraction. Sewage sludge incineration is one of the most prevalent sludge management techniques, with benefits including volume reduction, eradication of pathogenic microbes and hazardous organic compounds, energy recovery, and production of valuable byproducts. On average, sewage sludge ash (SSA) has been reported to contain 11.6% P2O5 (a form and content comparable to P-rock ores). This thesis aims to examine and review existing technologies for recovering phosphorus from SSA, then provide an estimate of each method's material and energy flows based on data available in the literature and provided by technology demonstrators. Furthermore, the different approaches regarding the Life Cycle Assessment (LCA) of the mentioned technologies and their environmental impacts in current literature are investigated. To achieve this goal, this thesis is organized into six chapters. The first chapter includes an overview of the phosphorus (P) cycle and environmental concerns, P reserves and demands, P flows and secondary sources, the information about current situation of P in the EU including the legislations, circular economy concept for P recovery, and finally the value chain's importance and the difference between recovery and recycling P from secondary sources. In the second chapter wastewater treatment plants and their hotspots as a crucial secondary source for P recovery are investigated. Different methods for P recovery from sludge, liqueur, or sludge ash are described and compared in addition to the cost of recovery and bioavailability of the final products. The third chapter focuses on sludge thermal treatment methods. These methods include incineration, pyrolysis, gasification, hydrothermal carbonization, and novel thermal methods. In the rest of the chapter, P recovery methods from sludge incineration ash, including thermochemical and wet chemical methods, are fully described. The fourth chapter is a complete survey on technologies to recover P from SSA, including the schemes of each process and material and energy inputs and outputs. In the fifth chapter, a brief overview of the results of some LCA studies on the P recovery technologies from SSA is provided. Then a methodological approach for harmonizing LCA of P recovery technologies is introduced. Finally, nine LCA case studies of P recovery technologies are reviewed briefly. Their approach regarding multifunctionality problem, scenario, impact categories, and functional unit definition, is investigated. In the end findings and limitation of each case study are presented. Finally, in the sixth chapter the overall conclusion of the thesis is presented.

Negli ultimi decenni, c'è stata una crescente comprensione della natura limitata delle forniture di fosforo e dell'importanza del recupero del fosforo. I fanghi delle acque reflue municipali sono una fonte di fosforo che vale la pena indagare poiché la tecnologia moderna può trasferire oltre il 90% del fosforo dalle acque reflue alla frazione dei fanghi. L'incenerimento dei fanghi di depurazione è una delle tecniche di gestione dei fanghi più diffuse, con vantaggi quali la riduzione del volume, l'eradicazione di microbi patogeni e composti organici pericolosi, il recupero di energia e la produzione di preziosi sottoprodotti. In media, è stato segnalato che le ceneri dei fanghi di depurazione (SSA) contengono l'11,6% di P2O5 (una forma e un contenuto paragonabili ai minerali P-rock). Questa tesi si propone di esaminare e rivedere le tecnologie esistenti per il recupero del fosforo da SSA, quindi fornire una stima dei flussi di materiale ed energia di ciascun metodo sulla base dei dati disponibili in letteratura e forniti dai dimostratori tecnologici. Inoltre, vengono indagati i diversi approcci riguardanti il Life Cycle Assessment (LCA) delle tecnologie menzionate e il loro impatto ambientale nella letteratura corrente. Per raggiungere questo obiettivo, questa tesi è organizzata in sei capitoli. Il primo capitolo include una panoramica del ciclo del fosforo (P) e delle preoccupazioni ambientali, delle riserve e della domanda di P, dei flussi di P e delle fonti secondarie, le informazioni sulla situazione attuale del P nell'UE, comprese le legislazioni, il concetto di economia circolare per il recupero di P e infine l'importanza della catena del valore e la differenza tra recupero e riciclo P da fonti secondarie. Nel secondo capitolo vengono esaminati gli impianti di trattamento delle acque reflue e i loro hotspot come fonte secondaria cruciale per il recupero di P. Vengono descritti e confrontati diversi metodi per il recupero di P da fanghi, liquori o ceneri di fango oltre al costo di recupero e alla biodisponibilità dei prodotti finali. Il terzo capitolo si concentra sui metodi di trattamento termico dei fanghi. Questi metodi includono incenerimento, pirolisi, gassificazione, carbonizzazione idrotermale e nuovi metodi termici. Nella parte restante del capitolo vengono descritti dettagliatamente i metodi di recupero del P dalle ceneri di incenerimento dei fanghi, compresi i metodi termochimici e chimici per via umida. Il quarto capitolo è un'indagine completa sulle tecnologie per recuperare P da SSA, inclusi gli schemi di ciascun processo e input e output di materiali ed energia. Nel quinto capitolo viene fornita una breve panoramica dei risultati di alcuni studi LCA sulle tecnologie di recupero P da SSA. Quindi viene introdotto un approccio metodologico per armonizzare l'LCA delle tecnologie di recupero del P. Infine, vengono esaminati brevemente nove casi di studio LCA relativi alle tecnologie di recupero P. Viene studiato il loro approccio al problema della multifunzionalità, allo scenario, alle categorie di impatto e alla definizione delle unità funzionali. Alla fine vengono presentati i risultati e le limitazioni di ogni caso di studio. Infine, nel sesto capitolo viene presentata la conclusione complessiva della tesi.