Wet acid leaching of incinerated sewage sludge ashes for phosphorus recovery : influence of upstream treatment variables and leaching conditions

In this study, the phosphorus (P) recovery by wet chemical extraction process was assessed to determine the effect of combustion process conditions on ashes composition and to optimize the leaching operational parameters. The experimental laboratory investigation was performed on different incinerated sewage sludge ashes. Eight samples were collected from the bag filters of a fluidized bed incinerator from a wastewater treatment plant located in Northern Italy. Another sample was delivered from a fluidized bed of a wastewater treatment plant located in France, that had a separate and more complex flue gas treatment line. Two more samples of sewage sludge ashes were collected from a laboratory-scale fluidized bed incinerator in which preheated air at 250 ℃ and 300 ℃ was used during the combustion. The P leaching and precipitation from two hydrochar samples were evaluated, too. P extraction measures the amount of phosphorus transferred from the ashes to the acidic leachate, while P recovery measures the amount of phosphorus transferred from the acidic leachate to a solid phase after chemical precipitation. Phosphorus extraction efficiency (PEE) ranged between 58.2 and 99.2% for the incinerated sewage sludge obtained from the fluidized bed sited in Northern Italy. The PEE obtained from leaching the samples obtained by burning only dewatered sewage sludge was better than those having a mixture of dewatered and dried sewage sludge, except for one sample, which showed a satisfactory outcome in terms of the amount of P extracted. The separate flue gas treatment unit in the French incinerator did not make a difference regarding the P extraction yield from the ashes. The P extraction rate from the samples obtained from the lab-scale fluidized bed was similar to other samples investigated, while the calcium content of such samples was lower due to the absence of Ca-base additives during the incineration phase. The impact of pH in the leaching experiments was considerable: the leachate with a pH lower than 1 showed good results regarding the amount of P extracted. P extraction from hydrochar samples did not vary considerably when dosing different acids such as sulfuric, nitric, and oxalic acid, and the P extraction rate ranged between 73.1 and 78.5%. Phosphorus precipitation efficiency from the acid leachate for hydrochar samples was more than 98% for both hydrochar samples, and the effect of the additional fermentation unit was observed to be negligible. Leaching operating conditions, incinerated sewage sludge ashes composition, and combustion process conditions were revealed to be the main parameters affecting the phosphorus extraction efficiency. The design of experiments was done based on the outcomes of the leaching process under different conditions, such as concentration of sulfuric acid (0.5, 1 M), liquid-to-solid ratio (10, 20), and contact time (0.5, 2 h). The results showed a more concentrated acid led to a higher P extraction. Moreover, it was observed that at L/S=10 the influence of time on PEE was lower than at L/S=20. At the higher L/S ratio an increased contact time had a greater impact on the PEE.

In questo studio è stato valutato il recupero del fosforo (P) mediante processo di estrazione chimica a umido (lisciviazione acida) per valutare l'effetto delle condizioni operative di combustione sulla composizione fisica e chimica delle ceneri e per ottimizzare i parametri operativi della lisciviazione acida. L'indagine sperimentale di laboratorio è stata eseguita su diverse ceneri di fanghi di depurazione. Sono stati prelevati otto campioni di ceneri dal filtro a maniche di un inceneritore a letto fluido, situato in un impianto di trattamento delle acque reflue nel nord Italia. Un altro campione è stato prelevato da un letto fluido di un impianto di trattamento delle acque reflue in Francia, caratterizzato da una linea più complessa per il trattamento delle emissioni gassose. Altri due campioni sono stati ottenuti da fanghi di depurazione inceneriti in un letto fluidizzato su scala di laboratorio in cui durante la combustione è stata utilizzata aria preriscaldata a 250 ℃ e 300 ℃. Sono state valutate anche la lisciviazione e la precipitazione del P da due campioni di idrochar. L'estrazione di P misura la quantità di fosforo trasferito dalle ceneri al lisciviato acido, mentre il recupero di P misura la quantità di fosforo trasferito dal lisciviato acido a una fase solida dopo precipitazione chimica. L'efficienza di estrazione del fosforo (PEE) trovata varia tra il 58,2 e il 99,2% per le ceneri di fanghi ottenute dal letto fluidizzato situato nel nord Italia. Si sono ottenute efficienze maggiori quando sono stati inceneriti solo fanghi di depurazione disidratati e non la miscela di fanghi di depurazione disidratati ed essiccati, ad eccezione di un solo campione, che ha mostrato un risultato soddisfacente in termini di quantità di P estratto. La linea di trattamento delle emissioni gassose più complessa dell’impianto francese non ha impattato significativamente sulla resa di estrazione del P dalle ceneri. Il tasso di estrazione di P dai campioni ottenuti da un inceneritore di laboratorio è stato simile a quello degli altri campioni di ceneri, mentre si è trovato un contenuto di calcio inferiore a causa dell'assenza di additivi a base di Ca durante la fase di incenerimento. L’effetto del pH negli esperimenti di lisciviazione è stato considerevole: il lisciviato con un pH inferiore a 1 ha mostrato buoni risultati per quanto riguarda la quantità di P estratto. L'estrazione di P da campioni di idrochar non è variata considerevolmente quando si è dosato acidi inorganici e organici come acido solforico, nitrico e ossalico e il tasso di estrazione del P è variato tra il 73,1 e il 78,5%. L'efficienza di precipitazione del fosforo dal lisciviato acido per i campioni di idrochar è stata superiore al 98% per entrambi i campioni di idrochar e l'effetto dell'unità di fermentazione aggiuntiva è risultato trascurabile. Le condizioni operative del processo di lisciviazione, le caratteristiche delle ceneri dei fanghi di depurazione e le condizioni operative di combustione sono stati i principali parametri che hanno influenzato l'efficienza di estrazione del fosforo. Il disegno sperimentale volto all’ottimizzazione del processo di estrazione è stato condotto variando tre principali parametri operativi del processo quali la concentrazione di acido solforico (0,5, 1 M), il rapporto liquido-solido (10, 20) e il tempo di contatto (0,5, 2 h). I risultati hanno mostrato che ad una concentrazione di acido maggiore corrisponde un’estrazione di P maggiore. Inoltre, si è osservato che a L/S=10 l'influenza del tempo sulla PEE è minore rispetto a L/S=20. Con un rapporto L/S più elevato, invece, il tempo di contatto ha avuto un impatto maggiore sulla PEE.