Cristallizzazione e precipitazione del fosfato dalle acque reflue dei suini mediante corrosione del metallo magnesio

Rapporti scientifici volume 5, numero articolo: 16601 (2015) Citare questo articolo

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Questo articolo presenta un approccio unico per il dosaggio del magnesio nella precipitazione della struvite mediante corrosione del metallo Mg. I risultati sperimentali hanno mostrato che l’utilizzo di una colonna con gorgogliamento d’aria riempita con Mg metallico e pellet di grafite per il dosaggio del magnesio era la modalità operativa ottimale, che potrebbe accelerare significativamente la corrosione dei pellet di Mg metallico a causa della presenza di granuli di grafite. Gli esperimenti sul meccanismo di reazione hanno rivelato che il pH della soluzione potrebbe essere utilizzato come indicatore della cristallizzazione della struvite mediante il processo. Gli aumenti del dosaggio del Mg metallico, del rapporto di massa tra grafite e magnesio metallico (G:M) e della portata del flusso d'aria potrebbero aumentare rapidamente il pH della soluzione. Quando tutte e tre le condizioni erano rispettivamente a 10 g L–1, 1:1 e 1 L min–1, l’efficienza di recupero del fosfato ha raggiunto il 97,5%. Per ottenere un elevato livello di automazione per il processo di recupero del fosfato, è stato progettato un reattore a flusso continuo immerso nella colonna di gorgogliamento d'aria in grafite-magnesio per raccogliere il fosfato dalle vere e proprie acque reflue dei suini. In condizioni di integrazione intermittente di piccole quantità di pellet metallici di Mg, circa il 95% del fosfato potrebbe essere recuperato stabilmente come struvite con purezza del 95,8% (±0,5). Un'analisi economica ha indicato che il processo proposto era tecnicamente semplice ed economicamente fattibile.

È noto che il fosforo (P) non è solo un elemento essenziale presente in tutti gli organismi viventi, ma anche un importante nutriente che causa l'eutrofizzazione dei corpi idrici1. Allo stesso tempo, il P derivato dalla roccia fosfatica è una risorsa non rinnovabile con riserve limitate, che si esaurisce progressivamente a causa dell'enorme consumo annuale nella produzione agricola e industriale. Alcuni ricercatori hanno previsto che le riserve di rocce fosfatiche conosciute nel mondo si esauriranno entro 100 anni se l’attuale aumento del tasso di esaurimento rimane invariato2,3. Per proteggere questa importante risorsa non rinnovabile, alcuni dei principali paesi produttori di fosfato, come la Cina e gli Stati Uniti, hanno classificato la roccia fosfatica come una risorsa strategica e hanno implementato una gestione del controllo delle esportazioni4. Negli ultimi anni, il prezzo del mercato internazionale della roccia fosfatica è aumentato rapidamente per vari motivi. Pertanto, il recupero dei fosfati dalle acque reflue è di grande importanza nella prevenzione dell'eutrofizzazione e nella protezione delle rocce fosfatiche.

Le acque reflue dei suini sono un tipico tipo di acque reflue contenenti elevate concentrazioni di fosfati5,6. Il P nelle acque reflue è generalmente presente come ortofosfato (PT), con grande potenziale di eutrofizzazione. Per prevenire l'eutrofizzazione dei corpi idrici pubblici, gli allevamenti suini sono costretti a ridurre i livelli di P immessi nelle acque superficiali e a mantenersi entro gli standard previsti dalla legislazione sulla qualità dell'acqua. A questo scopo, vari processi biologici e chimici come la rimozione biologica potenziata del P7, la cristallizzazione del fosfato di calcio (Cax(PO4)y, CP)/struvite (MgNH4PO4 · 6H2O)8,9,10, il bioassorbimento delle macroalghe marine (Kappaphycus alvarezii)11 e sono stati studiati l'adsorbimento dell'ossido di alluminio attivato1. Tra questi processi, la cristallizzazione della struvite è riconosciuta come un processo ideale per il recupero del fosfato grazie alla sua elevata velocità di reazione e all'efficienza di recupero del fosforo. A causa della carenza di Mg2+ nelle acque reflue dei suini, MgCl2 e MgSO4 sono spesso utilizzati come fonti di magnesio per la precipitazione della struvite. Sebbene si potesse ottenere un elevato grado di rimozione dei fosfati utilizzando questi sali come fonti di magnesio, il loro dosaggio e la regolazione del pH della soluzione erano difficili da controllare bene a causa della fluttuazione della concentrazione di fosfati nelle acque reflue; l'uso di questi sali ha inoltre aumentato rapidamente la salinità dell'effluente, inibendo l'attività microbica nel processo di trattamento biologico che ne è seguito12,13. Inoltre, per ridurre il costo del recupero del fosfato, sono state utilizzate come fonti di magnesio anche alcune fonti di magnesio a basso costo come MgO e Mg(OH)2 di bassa qualità14,15. Sfortunatamente, è stato riscontrato che questi reagenti diminuiscono significativamente la purezza della struvite raccolta a causa dell'eccesso di MgO/Mg(OH)2 aggiunto.