Recupero del fosforo

Il fosforo è un elemento essenziale della vita e fondamentale è il suo utilizzo in agricoltura come fertilizzante. Si tratta però di una risorsa non rinnovabile e limitata, per cui la razionalizzazione dell'uso di questa risorsa costituisce un tema di grande attualità.

Perché il tema del recupero del fosforo è importante?

Perché recuperare il fosforo dai fanghi di depurazione?

Che cosa si propone il progetto PerFORM Water 2030 sul tema del recupero di fosforo?

Esistono processi industriali di recupero del fosforo?

Link e Video per avere una panoramica internazionale sulla tematica


Perché il tema del recupero del fosforo è importante?

Il fosforo (P) è un elemento essenziale della vita ed è presente in tutti gli organismi viventi ed è fondamentale nell'agricoltura per garantire la produttività dei suoli coltivati. Trattandosi di una risorsa non rinnovabile e limitata, la crescente domanda di fertilizzanti sta gradualmente esaurendo le riserve di rocce fosfatiche. Inoltre, la risorsa primaria è fortemente localizzata in aree specifiche del pianeta, alcune di esse soggette a tensioni geopolitiche che ne rendono instabile il prezzo e meno certa l'affidabilità di approvvigionamento. L’Europa nord-occidentale importa l’88% del fabbisogno di fosforo, circa 6,37 milioni di tonnellate per anno, da nazioni non appartenenti all’UE. L’uso finale della risorsa è prettamente quello di fertilizzante minerale per l’agricoltura.

Il rovescio della medaglia è costituito dall’eccesso di P disperso in natura con il progressivo aumento dei fenomeni di eutrofizzazione, che compromettono la qualità di molti corpi idrici superficiali e riducono la biodiversità. In campo scientifico, politico ed economico sono molte le proposte per migliorare l’efficienza della gestione dei flussi di fosforo e per aumentare il riciclo di fosforo nelle attività antropiche e, quindi, anche dei flussi di risulta del trattamento delle acque reflue urbane.

L'importanza della razionalizzazione dell'uso di questa risorsa è testimoniato dall'attivazione della piattaforma europea del fosforo (https://www.phosphorusplatform.eu/), di cui fanno parte quella tedesca (www.deutsche-phosphor-plattform.de), olandese (https://www.nutrientplatform.org/en/), e italiana (https://www.piattaformaitalianafosforo.it/).


Perché recuperare il fosforo dai fanghi di depurazione?

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Per affrontare questo problema e garantire uno sviluppo sostenibile e un'economia circolare, è possibile il recupero del fosforo dalle acque reflue, poiché si concentra nei fanghi di depurazione. I fanghi di depurazione, alla fine dei trattamenti presenti negli impianti, contengono circa il 95-99% di acqua e l’1-5% di materia secca.

Dopo i processi di separazione solido/liquido, la frazione acquosa dei fanghi contiene dal 5 al 20% del fosforo in forma disciolta. Da questa frazione è possibile separare la struvite, sale fosfo-ammonico-magnesiaco. Tuttavia, una frazione preponderante (dall’80 al 95%) del fosforo rimane nella frazione semi-solida residua dopo i processi di separazione solido/liquido. Il recupero del fosforo dalla frazione semi-solida può essere condotto operando sulle ceneri derivanti da un processo di termovalorizzazione alimentato dalla combustione dei soli fanghi (mono-incenerimento).

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Oltre al recupero del fosforo la combustione è il trattamento termico oggi più utilizzato per la valorizzazione energetica dei fanghi non idonei per l'utilizzo in ambito agricolo. Il potere calorifico dei fanghi di depurazione essiccati 40% di secco consente la combustione senza combustibili ausiliari. In alternativa, è possibile essiccare i fanghi fino all'80-90% di secco e utilizzare parte dell'energia prodotta dalla combustione per il processo di essiccamento. La percentuale di fanghi inceneriti sul totale dei fanghi prodotti è del 3% in Italia, 19% in Francia, 24% in Danimarca, 44% in Austria, 56% in Germania, 64% in Belgio, e il 100% nei Paesi Bassi e in Svizzera. Negli Stati Uniti e in Giappone le percentuali sono rispettivamente del 25% e del 55%.

Un esempio recente di impianti di questo tipo è quello a servizio del Cantone Zurigo, in Svizzera, che tratta 84mila tonnellate annue di fanghi umidi, recupera circa 13mila tonnellate annue di ceneri ricche di fosforo, presenta valori di emissione in atmosfera notevolmente inferiori ai pur restrittivi limiti svizzeri, autoproduce l'energia elettrica per il proprio funzionamento e genera calore (4500 kW termici) che in parte alimenta il pre-essiccamento dei fanghi (dal 25 al 40% di materia secca) e con l'eccedenza alimenta una rete locale di teleriscaldamento.

Le ceneri di fanghi di depurazione provenienti da impianti di questo tipo sono una delle principali risorse secondarie di fosforo. L'anidride fosforica di solito varia tra il 10 e il 20%, simile al contenuto presente in molte rocce fosfatiche.

Il fosforo presente nella frazione secca dei fanghi prodotti dalla depurazione delle acque dell'area milanese (circa 4 milioni di abitanti) ammonta a circa il 2,2%. Considerando che la produzione di fanghi degli impianti lombardi è di circa 500mila tonnellate annue (fonte: Arpa Lombardia, 2017), di cui il 20% di materia secca, il fosforo potenzialmente recuperabile ammonterebbe a 2.200 t annue di fosforo, pari a circa 5.000 t annue di anidride fosforica.

Al momento attuale il prezzo del fosforo da processi di recupero è ancora più altro del prezzo del fosforo ottenuto da rocce fosfatiche. Tuttavia, la differenza tra prezzo del fosforo "naturale" e fosforo recuperato si ridurrà di pari passo con il progressivo esaurimento delle risorse naturali di fosforo. IndexMundi, portale che aggrega dati e statistiche, riporta che il prezzo delle rocce fosfatiche è pressoché raddoppiato tra il 2004 e il 2019 (da 42 a 85 US$/t), con occasionali picchi elevati, dovuti alla instabilità politica dei Paesi produttori.

Perché recuperare il fosforo dai fanghi di depurazione?

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Per affrontare questo problema e garantire uno sviluppo sostenibile e un'economia circolare, è possibile il recupero del fosforo dalle acque reflue, poiché si concentra nei fanghi di depurazione. I fanghi di depurazione, alla fine dei trattamenti presenti negli impianti, contengono circa il 95-99% di acqua e l’1-5% di materia secca.

Dopo i processi di separazione solido/liquido, la frazione acquosa dei fanghi contiene dal 5 al 20% del fosforo in forma disciolta. Da questa frazione è possibile separare la struvite, sale fosfo-ammonico-magnesiaco. Tuttavia, una frazione preponderante (dall’80 al 95%) del fosforo rimane nella frazione semi-solida residua dopo i processi di separazione solido/liquido. Il recupero del fosforo dalla frazione semi-solida può essere condotto operando sulle ceneri derivanti da un processo di termovalorizzazione alimentato dalla combustione dei soli fanghi (mono-incenerimento).

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Oltre al recupero del fosforo, la combustione è il trattamento termico oggi più utilizzato per la valorizzazione energetica dei fanghi non idonei per l'utilizzo in ambito agricolo. Il potere calorifico dei fanghi di depurazione essiccati 40% di secco consente la combustione senza combustibili ausiliari. In alternativa, è possibile essiccare i fanghi fino all'80-90% di secco e utilizzare parte dell'energia prodotta dalla combustione per il processo di essiccamento. La percentuale di fanghi inceneriti sul totale dei fanghi prodotti è del 3% in Italia, 19% in Francia, 24% in Danimarca, 44% in Austria, 56% in Germania, 64% in Belgio, e il 100% nei Paesi Bassi e in Svizzera. Negli Stati Uniti e in Giappone le percentuali sono rispettivamente del 25% e del 55%.

Un esempio recente di impianti di questo tipo è quello a servizio del Cantone Zurigo, in Svizzera, che tratta 84mila tonnellate annue di fanghi umidi, recupera circa 13mila tonnellate annue di ceneri ricche di fosforo, presenta valori di emissione in atmosfera notevolmente inferiori ai pur restrittivi limiti svizzeri, autoproduce l'energia elettrica per il proprio funzionamento e genera calore (4500 kW termici) che in parte alimenta il pre-essiccamento dei fanghi (dal 25 al 40% di materia secca) e con l'eccedenza alimenta una rete locale di teleriscaldamento.

Le ceneri di fanghi di depurazione provenienti da impianti di questo tipo sono una delle principali risorse secondarie di fosforo. L'anidride fosforica di solito varia tra il 10 e il 20%, simile al contenuto presente in molte rocce fosfatiche.

Il fosforo presente nella frazione secca dei fanghi prodotti dalla depurazione delle acque dell'area milanese (circa 4 milioni di abitanti) ammonta a circa il 2,2%. Considerando che la produzione di fanghi degli impianti lombardi è di circa 500mila tonnellate annue (fonte: Arpa Lombardia, 2017), di cui il 20% di materia secca, il fosforo potenzialmente recuperabile ammonterebbe a 2.200 t annue di fosforo, pari a circa 5.000 t annue di anidride fosforica.

Al momento attuale il prezzo del fosforo da processi di recupero è ancora più altro del prezzo del fosforo ottenuto da rocce fosfatiche. Tuttavia, la differenza tra prezzo del fosforo "naturale" e fosforo recuperato si ridurrà di pari passo con il progressivo esaurimento delle risorse naturali di fosforo. IndexMundi, portale che aggrega dati e statistiche, riporta che il prezzo delle rocce fosfatiche è pressoché raddoppiato tra il 2004 e il 2019 (da 42 a 85 US$/t), con occasionali picchi elevati, dovuti alla instabilità politica dei Paesi produttori.

Nel breve periodo, in attesa di poter sfruttare il fosforo contenuto nelle ceneri, è possibile accumulare le ceneri in depositi a lungo termine, sull'esempio di Svizzera, Germania e Danimarca. Non esistono esempi in Italia, ma potrebbe essere un elemento strategico rilevante per non trovarsi in condizioni di svantaggio rispetto ad altri paesi in futuro, anche se servono strumenti normativi e giuridici che ne definiscano le modalità di realizzazione e di gestione. Il tema è oggi all'attenzione della Piattaforma italiana del fosforo e del Ministero dell'Ambiente e della Tutela del Territorio e del Mare.


Che cosa si propone il progetto PerFORM WATER 2030 sul tema del recupero di fosforo?

L'obiettivo dello studio nell’ambito del progetto PerFORM WATER 2030 è di valutare l'effettivo potenziale del recupero del fosforo dalle ceneri dei fanghi di depurazione provenienti da diversi impianti situati nell'area milanese e prodotti dall'impianto pilota di valorizzazione termica dei fanghi costruito nell'ambito del progetto PerFORM WATER 2030 presso il depuratore di San Giuliano Ovest (per approfondimenti è disponibile la scheda dell'attività trattamenti termici dei fanghi biologici).

Il programma della ricerca prevede la caratterizzazione delle ceneri e l'esecuzione di prove di estrazione del fosforo. In una prima fase alcuni campioni di fango essiccato termicamente sono convertiti in ceneri mediante riscaldamento in aria a 900° C in una muffola da laboratorio. Mediante estrazione acida si è valutato che è possibile recuperare circa il 90% del fosforo contenuto nelle ceneri. Il programma di ricerca comprenderà successivamente l'estrazione del fosforo dalle ceneri prodotte dall'impianto pilota realizzato presso il depuratore di San Giuliano Ovest. Le prove sperimentali potranno dare indicazioni sui possibili sviluppi industriali del recupero del fosforo.

Recupero del fosforo da ceneri di fanghi di depurazione

Scheda attività


Esistono processi industriali di recupero del fosforo?

Sì, molti, ma nessuno è stato ancora applicato in Italia.

E' il motivo principale che ha spinto a includere questo tema tra quelli sviluppati dal progetto PerFORM WATER 2030.

E' infatti essenziale acquisire conoscenze per non subire ritardi rispetto ad altri Paesi della UE.

Un'ampia disamina, in italiano, sulle effettive potenzialità delle tecnologie di recupero del fosforo dai fanghi di depurazione è riportata in questo articolo pubblicato sulla rivista Ingegneria dell'Ambiente (Canziani R., Di Cosmo R. (2018) Stato dell’arte e potenzialità delle tecnologie di recupero del fosforo dai fanghi di depurazione; Ingegneria dell’Ambiente, Vol. 5 n. 3/2018, p. 1-21; web: https://doi.org/10.32024/ida.v5i3.p01)

Un progetto di ricerca europeo (P-Rex), sviluppato tra il 2012 e il 2015, ha valutato le potenzialità applicative di diverse tecnologie. Una sintesi del progetto P-Rex (in inglese) è disponibile in versione pdf Il rapporto finale del progetto è disponibile in versione pdf mentre da questo sito possono essere scaricati altri materiali.


Link e Video per avere una panoramica internazionale sulla tematica

Video Youtube con un inquadramento generale sul recupero di fosforo dalle ceneri realizzato nell'ambito del progetto di ricerca Phos4You

Youtube con contenuto molto tecnico, realizzato nell'ambito del progetto di ricerca RECOPHOS

Link alla pagina web dove si descrive una tecnologia di produzione di fertilizzanti con fosfati riciclati, con un interessante video divulgativo sulle tecniche di recupero di fosforo impiegate nei Paesi Bassi

Link alla pagina ufficiale della Terza Conferenza Europea sull'uso sostenibile del Fosforo dove è possibile scaricare il materiale della conferenza e visualizzare il video del discorso introduttivo tenuto da Karmenu Vella, Commissario Europeo per l'Ambiente

Link ad un pubblicazione che descrive l'esperienza Svizzera del Cantone Zurigo Phosphorus from sewage sludge – The strategy of the Canton of Zurich and Switzerland, Morf L.S. (2012), Office for Waste, Water, Energy and Air (AWEL) Canton of Zurich, Switzerland


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