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Rimozione del fosforo: Come rimuovere il fosforo dalle acque reflue
La rimozione del fosforo dalle acque reflue è essenziale per garantire la sicurezza e la salute dei cittadini e proteggere l'ambiente. Livelli elevati di fosforo possono essere pericolosi per la fauna locale. L'eliminazione del fosforo dall'acqua può prevenire l'eutrofizzazione, che causa la fioritura delle alghe. Anche se questo può sembrare un processo naturale, le fioriture di alghe su larga scala impoveriscono l'acqua di ossigeno, causando zone morte e soffocando gli ecosistemi. Un'alterazione delle popolazioni marine può avere un impatto sull'approvvigionamento alimentare degli animali terrestri più grandi.
Il fosforo rappresenta anche un rischio per la sicurezza dell'acqua potabile. È importante implementare sistemi di rimozione del fosforo per proteggere il benessere degli ecosistemi e dell'acqua potabile. Leggete questa guida su come rimuovere il fosforo dall'acqua e scoprite di più sui calcoli e sulle tecniche di rimozione del fosforo.
Perché il fosforo è un problema nelle acque reflue?
Sebbene il fosforo sia un elemento necessario, livelli elevati di fosforo possono portare a molteplici complicazioni ambientali in corsi d'acqua, laghi, fiumi e aree costiere. Un problema tipico causato dall'elevata presenza di fosforo nelle sorgenti d'acqua naturali è l'eutrofizzazione, ovvero la stimolazione dilagante di alghe e altre piante, che porta a un impoverimento dell'ossigeno nell'acqua. Queste aree di carenza di ossigeno nell'acqua sono note come zone morte.
Le zone morte danneggiano e uccidono varie forme di vita acquatica, impoverendo sia la fauna che la flora. le "morie di pesci" sono tipicamente causate da queste zone morte, quando non c'è abbastanza ossigeno nell'acqua per la sopravvivenza dei pesci. Questo può accadere rapidamente. Un ecosistema marino sano può diventare una zona morta con centinaia o migliaia di pesci morti nel giro di pochi giorni dall'introduzione di livelli elevati di fosforo.
Quando l'acqua viene consumata, sia dagli animali che dall'uomo, le tossine algali possono essere dannose. È essenziale rimuovere il fosforo per l'acqua potabile. Inoltre, nuotare nelle acque algali può causare irritazioni cutanee e malattie.
Le acque reflue contengono concentrazioni molto elevate di fosforo. Pertanto, prima di scaricare l'acqua nei corsi d'acqua e nei fiumi locali (dove può anche confluire negli impianti di acqua potabile a valle), è indispensabile ridurre il fosforo a livelli sicuri. Fortunatamente, esistono numerosi metodi di trattamento in grado di rimuovere il fosforo in modo efficiente ed efficace.
Come eliminare il fosforo dalle acque reflue?
Esistono diverse forme di rimozione del fosforo; il sistema più efficace dipenderà dalle caratteristiche delle acque reflue, dalle infrastrutture esistenti presso l'impianto di trattamento e dal livello di fosforo in uscita richiesto. È necessario prendere in considerazione anche il budget del progetto, la manutenzione dell'operatore e la forma del fosforo. I sistemi di rimozione del fosforo possono essere suddivisi in 3 tipi: sistemi di trattamento chimico, biologico e fisico.
Precipitazione chimica
La precipitazione chimica, nota anche come rimozione chimica del fosforo o rimozione primaria del fosforo, può rimuovere i fosfati inorganici dall'acqua aggiungendo un coagulante alle acque reflue. Durante la precipitazione chimica, l'alluminio, il calcio o il ferro possono essere utilizzati come ioni metallici multivalenti per formare un precipitato di fosforo, che poi si depositerà nelle acque reflue.
Un additivo chimico comune è la calce, Ca(OH)2, che contiene calcio. La calce reagisce con l'alcalinità naturale delle acque reflue per creare carbonato di calcio e aumentare il pH dell'acqua. Una volta che il valore del pH delle acque reflue è aumentato oltre 10, gli ioni di calcio reagiscono con il fosfato e precipitano sotto forma di idrossiapatite (un fosfato di calcio).
Questa reazione avviene tra la calce e l'alcalinità delle acque reflue, il che significa che la quantità necessaria sarà indipendente dalla quantità di fosfato presente nell'acqua. Dipende invece in larga misura dai livelli di alcalinità e pH delle acque reflue. La dose complessiva di calce necessaria può essere misurata come 1,5 volte l'alcalinità come CaCO3. Dopo questo processo, potrebbe essere necessario neutralizzare le acque reflue per abbassare i livelli di pH prima di ulteriori trattamenti o dello smaltimento.
Anche l'alluminio o il solfato di alluminio idrato sono comunemente usati per precipitare i fosfati. Il dosaggio complessivo dipende direttamente dal livello di eliminazione del fosforo necessario. L'efficienza complessiva della coagulazione diminuisce al diminuire della concentrazione di fosforo.
Le dosi necessarie possono essere determinate in primo luogo con test al banco e poi verificate con test su scala reale. Si consiglia di eseguire i test su campioni di acque reflue reali (non su imitazioni create in laboratorio) a causa delle interazioni chimiche e polimeriche con altri costituenti delle acque reflue. I coagulanti a base di alluminio possono avere un impatto negativo sui livelli microbici dei fanghi attivi, compresi rotiferi e protozoi, quando i dosaggi superano i 150 mg/l.
Anche il cloruro o il solfato ferrico sono comunemente utilizzati durante il dosaggio ferrico per la rimozione del fosforo. Durante la rimozione dei fosfori, gli ioni ferrici possono combinarsi, creando fosfato ferrico. Gli ioni ferrici reagiscono con l'alcalinità naturale e si può aggiungere un coagulante come la calce per aumentare il livello di pH e migliorare il processo di coagulazione.
Rimozione biologica
Il processo di rimozione biologica del fosforo, noto anche come rimozione secondaria del fosforo, è una forma efficace di filtrazione per la rimozione del fosforo. Tra i principali vantaggi della rimozione biologica del fosforo dall'acqua vi sono la riduzione della produzione di fanghi e dei costi chimici rispetto alla precipitazione chimica tradizionale. La rimozione biologica del fosforo prevede che i batteri incorporino il fosforo nella loro biomassa cellulare, contribuendo a rimuovere il fosforo nel processo di deperimento dei fanghi.
La configurazione del reattore offre agli organismi polifosfato-accumulatori (PAO) un vantaggio unico rispetto ad altri batteri, incoraggiando i PAO a crescere e a consumare il fosforo presente. Nelle implementazioni di rimozione biologica, prima della vasca di aerazione è presente una vasca anaerobica. In queste condizioni uniche, il PAO si arricchisce nella comunità batterica dei fanghi attivi.
Nella successiva fase aerobica, i batteri possono accumulare ed elaborare grandi quantità di polifosfato nelle loro cellule, eliminando efficacemente il fosforo. In generale, tutte le forme di batteri contengono una piccola quantità di fosforo nella loro biomassa a causa di vari componenti cellulari, tra cui l'acido desossiribonucleico (DNA) e i fosfolipidi di membrana.
Quando i batteri presenti nelle acque reflue consumano ed elaborano questi nutrienti, continuano a crescere, incorporando il fosforo nella loro biomassa batterica. Man mano che si sviluppano, i PAO accumulano anche grandi quantità di polifosfato all'interno delle loro cellule.
Rimozione fisica
La rimozione fisica del fosforo può essere utilizzata indipendentemente o in combinazione con altri tipi di rimozione del fosforo. I principali tipi di rimozione fisica, anche del fosforo dalle acque reflue, nota anche come terziaria rimozione del fosforo, includono le tecnologie a membrana e la filtrazione a sabbia. Un esempio di rimozione fisica del fosforo è l'adeguamento degli impianti di acque reflue con una tecnologia a membrana per il fosforo particolato.
Questa tecnologia per il particolato è ideale per i progetti a lungo termine, che hanno maggiori probabilità di beneficiare di questa soluzione economica nel tempo. Le tecnologie a membrana tendono ad avere un costo di investimento più elevato, il che significa che possono essere necessari molti anni per ottenere un ritorno sull'investimento. Per questo motivo, i metodi di rimozione chimica possono essere inizialmente più efficaci dal punto di vista dei costi e più facili da implementare.
Chimica contro chimica. Eliminazione biologica del fosforo
La rimozione chimica del fosforo prevede la precipitazione dei fosfori con un sale di alluminio o di ferro. Il sale di ferro, compreso il cloruro ferrico, può fornire numerosi vantaggi per ridurre la feccia nei processi di trattamento secondario e gestire gli ordini e i solfuri nei fanghi di digestione anaerobica. I processi chimici di rimozione del fosforo possono anche ridurre la formazione di struvite, che spesso si verifica quando un impianto si converte a un sistema biologico di rimozione del fosforo, riducendo il fosforo aggiuntivo nel digestore.
Sebbene i sistemi chimici di rimozione del fosforo siano efficienti ed efficaci, è importante notare che possono aumentare i tassi di produzione dei fanghi e richiedere ulteriori requisiti di stoccaggio.
La rimozione biologica del fosforo può comportare un aumento dei livelli di fosforo che si accumulano nei solidi biologici. I fanghi attivati dai rifiuti del flusso liquido rimuovono questi biosolidi e il fosforo. Per implementare efficacemente la rimozione biologica del fosforo, è necessaria una sequenza anaerobica-aerobica per selezionare i PAO.
Le acque reflue in ingresso passano attraverso la zona anaerobica. I PAO possono rilasciare il fosforo mentre raccolgono e immagazzinano i carboidrati in assenza di ossigeno. Dopo la zona anaerobica, la zona aerobica è quella in cui i PAO possono consumare questi carboidrati assorbendo il fosforo in eccesso. La zona anossica Anossico vs. anossico. Anaerobico vs. anaerobico. Trattamento aerobico delle acque reflue è situata tra queste due zone per rimuovere i nitrati dai fanghi attivi di ritorno.
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Eliminazione chimica del fosforo
La rimozione chimica del fosforo è un processo di trattamento delle acque reflue che utilizza sali di ferro, calcio o alluminio per rimuovere il fosforo dall'acqua. I fosfati creano precipitati con ioni metallici e vengono rimossi con i fanghi nell'unità di separazione. Il trattamento chimico del fosforo è uno dei metodi più comuni per rimuovere il fosforo e raggiungere concentrazioni di effluenti inferiori a 1,0 mg/L.
La rimozione chimica del fosforo è spesso meno complicata dei processi di rimozione biologica. Il progetto di trattamento chimico consiste in un bilancio di massa tra l'aggiunta di sostanze chimiche e la concentrazione di fosforo dopo l'introduzione delle sostanze chimiche. Tra i pro e i contro dell'abbattimento chimico del fosforo vi sono:
Pro
L'abbattimento chimico del fosforo è uno dei trattamenti del fosforo più efficaci e comunemente utilizzati, in genere eseguito con coagulanti a base di ferro e alluminio. La rimozione del fosforo è spesso richiesta attraverso trattamenti speciali dedicati, come quelli chimici, per correggere i problemi di eutrofizzazione. Tra i principali vantaggi dell'abbattimento chimico del fosforo vi sono:
- Efficace: L'eliminazione chimica del fosforo è un trattamento efficace per rimuovere i livelli elevati di fosforo dall'acqua. I trattamenti chimici possono creare fanghi più densi e facili da disidratare, che richiedono meno polimeri. Un altro vantaggio è la riduzione delle sostanze chimiche tossiche e meno corrosive, per un impianto idrico più pulito e sicuro.
- Efficienza: Anche i trattamenti chimici di rimozione del fosforo sono altamente efficienti e consentono la rimozione dei fosfati in un'ampia gamma di valori di pH, soprattutto se confrontati con i coagulanti tradizionali. Un altro vantaggio è rappresentato da una migliore decantazione e da chiarificatori più puliti.
- Economico: I trattamenti chimici sono anche uno dei trattamenti di rimozione del fosforo più efficaci dal punto di vista dei costi, soprattutto a breve termine. Sebbene l'abbattimento biologico del fosforo sia anche economicamente vantaggioso, il ritorno sull'investimento non è percepito per alcuni anni e richiede un investimento a lungo termine per essere vantaggioso. L'abbattimento chimico del fosforo è più conveniente nel breve periodo e può ridurre al minimo le spese totali, consentendo di ottenere un ritorno sull'investimento molto prima.
- controllo del pH: Infine, l'abbattimento chimico del fosforo consente anche un livello più elevato di controllo del pH, il che significa che non è necessario aumentare il dosaggio di caustici nel tentativo di conservare l'alcalinità per la nitrificazione o implementare le regolazioni per i limiti finali di pH allo scarico.
Contro
Sebbene i vantaggi dei sistemi chimici di rimozione del fosforo siano numerosi, ci sono alcuni aspetti negativi da considerare. Alcuni dei più comuni svantaggi associati all'abbattimento chimico del fosforo includono:
- Investimento iniziale: Per qualsiasi trattamento del fosforo, è necessario considerare i costi totali di questi sistemi. È necessario considerare il costo del sistema di alimentazione chimica. Oltre a questa struttura di base, è necessario determinare e valutare i costi totali dei prodotti chimici necessari per questo sistema.
- Smaltimento dei fanghi chimici: Un sistema di abbattimento chimico del fosforo può rendere più difficile il riutilizzo o lo smaltimento dei fanghi chimici.
- Rilascio di fosforo: In alcuni casi, la digestione, in particolare quella anaerobica, può provocare il rilascio di fosforo.
Opzioni del sistema chimico
Esistono numerosi sistemi chimici in grado di rimuovere il fosforo dall'acqua, tra cui il dosaggio chimico per promuovere la precipitazione del fosforo, i mezzi assorbenti per la rimozione del fosforo e le tecnologie a scambio ionico.
Dosaggio chimico per promuovere la precipitazione del P
Una delle opzioni più comuni di rimozione chimica del fosforo è il dosaggio chimico per promuovere la precipitazione del fosforo. Il dosaggio di sali metallici nel reattore a fanghi attivi convenzionale pretrattato o nelle uscite di un chiarificatore secondario può rimuovere efficacemente il fosforo dall'acqua.
Durante il dosaggio chimico, l'aggiunta di sale aiuta a far precipitare il fosforo nell'acqua e i residui o i solidi che ne derivano possono essere efficacemente rimossi mediante decantazione o un sistema di filtrazione. I precipitati risultanti sono ricchi di fosforo, ma la separazione del fosforo legato chimicamente può essere più difficile. Ciò significa che è improbabile un recupero efficiente ed efficace del fosfato per un ulteriore utilizzo. Per questo motivo, esiste un potenziale svantaggio rispetto ad altri sistemi biologici di rimozione del fosforo, in quanto può ridurre i benefici economici complessivi degli usi a valle dei fanghi ricchi di fosforo.
I tassi di rimozione del fosforo sono spesso proporzionali alla quantità di sostanze chimiche aggiunte, influenzando il numero totale di solidi prodotti. Per questo motivo, la quantità di sale utilizzata e il metodo impiegato per la separazione dei solidi comportano dei vantaggi in termini di costi.
In alcuni casi, oltre al dosaggio del sale, si possono utilizzare altre tecniche, come la flocculazione e la filtrazione terziaria, per ottenere livelli di fosforo più bassi nell'effluente con una minore aggiunta di sale. Nella maggior parte dei casi, il dosaggio chimico è affidabile, efficace e ampiamente utilizzato, il che lo rende una delle tecniche più diffuse. Sebbene il dosaggio chimico sia efficace, potrebbe non essere l'ideale per gli impianti o i progetti più piccoli.
Mezzi assorbenti per la rimozione del P
La rimozione del fosforo può essere ottenuta anche con mezzi attivi. I filtri a media reattiva si basano sui processi di assorbimento del fosforo da parte del materiale per ridurre i livelli di fosforo in modo più mirato e raffinato, invece di utilizzare un materiale filtrante. I supporti assorbenti sono creati a partire da prodotti di scarto industriali, prodotti artificiali o naturali. Un prodotto disponibile in commercio per questo processo è la Polonite, che ha dimostrato di raggiungere alti tassi di rimozione dei fosfati.
Il fosforo viene rimosso con un mezzo filtrante durante il processo di precipitazione diretta o di assorbimento, che comporta il movimento del fosforo inorganico dalle acque reflue alla superficie dei componenti reattivi all'interno del mezzo. Pertanto, la capacità di rimozione del fosforo dipende dal contenuto minerale del supporto. Mentre le prime applicazioni della rimozione del p ruotano attorno a mezzi di sorpasso che utilizzano ghiaia e sabbie di provenienza locale. Le recenti innovazioni hanno sviluppato molti materiali artificiali e naturali per l'applicazione di questa procedura su scala ridotta.
Tecnologie di scambio ionico
Le tecnologie a scambio ionico sono un processo consolidato e affidabile utilizzato per la deionizzazione o la desalinizzazione dell'acqua. Inoltre, lo scambio ionico è utile anche per rimuovere il fosforo dalle acque reflue. Anche se le tecnologie a scambio ionico non sono così comuni come altre tecniche di rimozione chimica del fosforo, questa tecnologia è ancora molto efficace ed efficiente in determinate situazioni.
La forma più comune di fosforo nelle acque reflue è quella anionica. Gli ioni fosfato vengono scambiati reversibilmente tra lo scambio ionico solido e l'acqua di scarico liquida, favorendo la rimozione e il recupero. Particolari immobilizzati del catione metallico formano la base di scambio polimerica in cui sono inserite le nanoparticelle p-selettive. Questo approccio aiuta a selezionare gli anioni p nell'acqua rispetto ad altri ioni, tra cui cloruri o solfati.
Eliminazione biologica del fosforo
La rimozione biologica del fosforo è un processo di trattamento delle acque reflue utilizzato per rimuovere il fosforo dall'acqua. Le implementazioni di rimozione biologica del fosforo utilizzano un gruppo di batteri eterotrofi per elaborare i livelli di fosforo in eccesso dall'acqua. Tra i principali pro e contro della rimozione biologica del fosforo vi sono:
Pro
La rimozione biologica del fosforo utilizza i batteri e l'alternanza di condizioni anaerobiche e aerobiche per promuovere l'assorbimento del fosforo. Tra i principali vantaggi della rimozione biologica del fosforo vi sono:
- Costi operativi: Un vantaggio dell'abbattimento biologico del fosforo è la riduzione dei costi operativi totali. Poiché l'eliminazione biologica del fosforo non richiede l'uso di sostanze chimiche, è possibile risparmiare anche su queste aggiunte chimiche.
- Volume dei fanghi: I trattamenti chimici del fosforo contribuiscono anche a ridurre il volume dei fanghi, minimizzando i costi totali di smaltimento dei fanghi. Rispetto alla rimozione chimica, la rimozione biologica può ridurre la quantità totale di fanghi prodotti.
- Sicura: Anche l'abbattimento biologico del fosforo presenta molti aspetti che la rendono un'opzione sicura per l'uomo e per l'ambiente. Ad esempio, la manipolazione dei prodotti chimici è minore e le emissioni di gas serra derivanti dalla produzione e dalla spedizione dei prodotti chimici sono inferiori. Inoltre, la rimozione biologica del fosforo aiuta a incorporare il fosforo nei fanghi per facilitarne la gestione e la rimozione.
Contro
Nonostante l'abbattimento biologico del fosforo sia una tecnica efficace di rimozione del fosforo, ci sono alcuni aspetti di questi processi da tenere in considerazione. Tra i principali svantaggi dell'eliminazione biologica del fosforo vi sono:
- Complesso: La rimozione biologica del fosforo è considerata un processo piuttosto complesso, il che potrebbe non renderlo ideale per le applicazioni più piccole. Nonostante sia un processo complesso, la rimozione biologica del fosforo è un metodo efficace per l'eliminazione dei nutrienti.
- Vantaggi economici: In alcuni casi di rimozione biologica del fosforo, la separazione del fosforo legato chimicamente può essere difficile, rendendo improbabile un recupero efficiente del fosforo per un ulteriore utilizzo. Questo può rappresentare uno svantaggio generale in alcuni casi, perché limita i vantaggi economici complessivi dell'utilizzo di fanghi ricchi di fosforo.
Opzioni del sistema biologico
Alcune delle opzioni di sistema biologico più comuni includono l'identificazione di PAO, il metabolismo di PAO, la tradizionale rimozione biologica del fosforo (EBPR), nuovi sistemi EBPR e potenziali sistemi EBPR.
Identificazione di PAO
La rimozione biologica del fosforo avviene tipicamente con l'accumulo di fosforo da parte di microrganismi che vanno oltre i requisiti tipici dei processi metabolici. Il fosforo si presenta sotto forma di polifosfato e viene trattenuto come riserva di energia per fornire un vantaggio competitivo sugli eterotrofi o per il mantenimento.
Per questo motivo, i PAO spesso superano la concorrenza di altri organismi. Un'eccezione è rappresentata dalla presenza di organismi che accumulano glicogeno (GAO). Uno dei PAO più studiati e utilizzati comprende i candidati accumulibacter phosphates ed è utilizzato come base per la maggior parte dei modelli metabolici. L'Accumulibacter è considerato il PAO predominante nei sistemi EPBR efficienti.
Metabolismo di PAO
Lo sviluppo di PAO può essere promosso ottimizzando varie condizioni operative, tra cui le fasi aerobiche o anossiche e i cicli. In condizioni anaerobiche, le PAO assorbono gli acidi grassi volatili mediante trasporto secondario e li immagazzinano come poliidrossialcanoati (PHA). L'energia necessaria per questo processo viene ricavata dall'adenosina trifosfato (ATP), che viene creato dalla degradazione del glicogeno e del polifosfato immagazzinato internamente.
Quando il polifosfato si rompe, rilascia ortofosfato nel liquido sfuso. Quando il PHA viene creato in condizioni anaerobiche, richiede l'equivalente di riduzione del nicotinammide adenina dinucleotide (NADH), che viene fornito attraverso la glicolisi o il ciclo dell'acido tricarbossilico (TCA). È stato dimostrato che l'uso della glicolisi fornisce tassi di rimozione del fosforo efficienti ed efficaci.
Sistemi EBPR tradizionali
Tradizionalmente, i sistemi di rimozione biologica del fosforo sono stati utilizzati in sistemi convenzionali a fanghi attivi. Con il progredire della tecnologia, la ricerca si è concentrata sull'effetto dell'implementazione di vettori di biofilm sulle prestazioni complessive del sistema e sugli effetti dei parametri ambientali e operativi sul comportamento metabolico e sulla diversità microbica.
La quantità complessiva di rimozione biologica del fosforo è direttamente correlata al numero totale di PAO presenti nel sistema. L'EBPR è stato utilizzato nei bioreattori a membrana (MBR), nei reattori batch sequenziali a biofilm e nei reattori a fanghi granulari. L'implementazione dell'EBPR in questi sistemi ha dimostrato di ottenere elevati tassi di rimozione del fosforo dalle acque reflue municipali.
Sistemi EBPR nuovi e potenziali
I sistemi di rimozione del fosforo e i sistemi EBPR continuano a progredire e a diventare più efficaci ed efficienti. Sono state sviluppate nuove ed efficienti configurazioni di sistemi MBR con l'obiettivo di migliorare la rimozione dei nutrienti. Un esempio è l'MBR a lotti sequenziali, che ha raggiunto tassi di rimozione del fosforo impressionanti.
Sebbene i nuovi e potenziali sistemi EBPR siano molto promettenti, è necessario proseguire la ricerca sulla coerenza e l'affidabilità di queste tecnologie. Inoltre, dovranno essere valutati anche i costi operativi, di capitale e ambientali di queste nuove applicazioni.
Un nuovo sistema per fanghi granulari in sistemi singoli utilizzati in condizioni anaerobiche-anossiche per la rimozione del fosforo. Questa tecnologia è nota come AnoxAn ed è progettata per ottenere la rimozione di più nutrienti. Il design a flusso ascendente di questo sistema consente di risparmiare sui costi e sullo spazio per quanto riguarda i requisiti energetici e di miscelazione, rendendolo potenzialmente ideale per la rimozione biologica del fosforo.
Scelta di un sistema di abbattimento del fosforo
Sebbene il fosforo sia un nutriente essenziale in piccole quantità, grandi concentrazioni nelle acque reflue possono portare a una situazione tossica e pericolosa. La scelta di un sistema di rimozione del fosforo adatto alle vostre esigenze può contribuire a mantenere livelli sicuri di fosforo nelle acque reflue e a ridurre il rischio per le piante, gli animali acquatici e selvatici e la salute umana.
Quando si sceglie un sistema di rimozione del fosforo, è importante utilizzare un sistema che soddisfi la scala e la portata del progetto. Nella maggior parte dei casi, si raccomanda di scegliere un sistema di rimozione del fosforo che sia stato oggetto di ricerche approfondite in termini di efficienza e sicurezza.
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