Strategies for the optimization of resource recovery from sewage sludge ashes and other sludge-derived matrices towards process scale-up

Phosphorus (P) is a critical raw material whose recovery from secondary sources such as sewage sludge and derived matrices has become of paramount importance. However, the economic feasibility and the lack of detailed technical information about existing established technologies to support decision-making are currently the main challenges to overcome. This Ph.D. thesis aimed to (i) optimize P recovery from sewage sludge ashes via wet chemical extraction, testing innovative decontamination and precipitation strategies using a nanostructured cellulose-based adsorbent and a Mg-rich by-product from the mining industry, and (ii) explore alternative approaches to recover P and carbon from hydrothermal carbonization products and activated sludge. The methodology applied comprised laboratory-scale experiments and small pilot-scale experiments combined with the use of modeling and statistical software to optimize the different phases of the P recovery process. Results from the wet chemical extraction highlighted the role of ash properties such as alkalinity in the extraction process, which inevitably affected the operating costs related to reagents, possibly limiting a convenient process scale-up. Satisfactory metal adsorption efficiencies were achieved using a nanostructured cellulose-based adsorbent that ensured the production of a solid precipitate compliant with European fertilizer regulations. Similarly, the use of low-grade MgO by-products guaranteed good phosphorus precipitation efficiency and compliance with fertilizer regulations. The recovery from sludge-derived matrices showed higher recovery efficiencies from hydrochar compared to slurry samples, while the acidogenic fermentation of activated sludge outperformed chemical extraction in terms of P release when dealing with Enhanced Biological Phosphorus Removal (EBPR) biomass. Future research is necessary to advance towards a zero-waste approach, in which sources are recovered from wastes in the view of the circular economy and sustainable development. Moreover, life cycle assessment and cost analysis are needed to demonstrate the benefits and weaknesses of this recovery process. The published research related to this work is available at the following links: https://doi.org/10.1016/B978-0-323-95278-1.00007-3; https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2021.131476; https://doi.org/10.2166/wst.2022.132; https://doi.org/10.1016/j.seppur.2024.126620.

Il fosforo (P) è una materia prima il cui recupero da fonti secondarie come i fanghi di depurazione e matrici derivate è di fondamentale importanza. Tuttavia, la fattibilità economica e la mancanza di informazioni tecniche dettagliate sulle tecnologie esistenti per supportare le decisioni rappresentano attualmente le principali sfide da superare. Questa tesi di dottorato si pone l'obiettivo di (i) ottimizzare il recupero del P dalle ceneri dei fanghi di depurazione attraverso l'estrazione chimica umida, testando strategie innovative di decontaminazione e precipitazione utilizzando un adsorbente nanostrutturato a base di cellulosa e un sottoprodotto ricco di magnesio dell'industria mineraria, e (ii) esplorare approcci alternativi per recuperare P e carbonio dai prodotti della carbonizzazione idrotermica dei fanghi e dai fanghi attivi. La metodologia applicata comprende sia esperimenti a scala di laboratorio che a piccola scala pilota combinati con l'uso di modellazione e utilizzo di software statistici per ottimizzare le diverse fasi del processo di recupero del P. I risultati dell'estrazione chimica ad umido hanno evidenziato il ruolo delle caratteristiche delle ceneri (per esempio l’alcalinità) sull’efficienza di estrazione, suggerendo un impatto sui costi operativi legati ai reagenti e sullo scale-up di processo. L’ utilizzo del materiale adsorbente a base di cellulosa come strategia di decontaminazione del lisciviato acido ha mostrato una buona efficienza di adsorbimento dei metalli garantendo la produzione di un precipitato solido conforme alla normativa europea sui fertilizzanti. Allo stesso modo, l'uso di sottoprodotti a base di magnesio ha garantito un'efficienza di precipitazione del fosforo e la conformità del precipitato alle normative sui fertilizzanti. Il recupero di P dai prodotti ottenuti dopo carbonizzazione idrotermica dei fanghi ha mostrato una efficienza di recupero maggiore dai test con idrochar, mentre la fermentazione acidogenica del fango attivo ha dato maggiore rilascio di P rispetto all'estrazione chimica quando si è usata biomassa da rimozione biologica del fosforo (EBPR). In un’ottica di economica circolare e di sviluppo sostenibile, è necessario condurre ulteriori ricerche per ottenere un processo di recupero senza rifiuti, che sia quindi in grado di riutilizzare tutti i sottoprodotti del processo. Inoltre, sono necessarie valutazioni del ciclo di vita e analisi dei costi per dimostrare i benefici e i limiti di questo processo di recupero. La ricerca pubblicata correlata a questo lavoro di tesi è disponibile ai seguenti link: https://doi.org/10.1016/B978-0-323-95278-1.00007-3; https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2021.131476; https://doi.org/10.2166/wst.2022.132; https://doi.org/10.1016/j.seppur.2024.126620.