Recovery of phosphorus in ashes of sewage sludge

Abstract

Resumo: A segurança alimentar mundial é extremamente dependente da oferta de nutrientes, o que se torna um tema de preocupação, dado a tendência do crescimento da população, a mudança nos hábitos alimentares e a escassez de recursos. O fósforo é um macronutriente essencial para o crescimento das plantas e apresenta alto risco associado ao seu abastecimento, por ser um recurso limitado e insubstituível. As reservas de rocha fosfática estão concentradas em regiões geográficas específicas do globo, e a sua mineração apresenta um impacto ambiental substancial. Observa-se, também, a diminuição da qualidade das rochas fosfáticas que apresentam cada vez mais altos teores de cádmio e urânio. Adicionalmente, a saturação do solo com fertilizantes industriais traz consequências desastrosas para os ecossistemas, e ainda é ineficiente do ponto de vista técnico. A solução para esses problemas está no manejo adequado dos nutrientes, que consiste na introdução de práticas agrícolas sustentáveis aliadas a implementação de uma economia circular para nutrientes. A este respeito, a Alemanha e Suíça foram precursores na Europa, ao oferecer um arcabouço jurídico direcionado a transformação da cadeia de valor linear do fósforo em uma economia totalmente circular. A recuperação de fósforo em fontes secundárias é a principal ferramenta para melhorar a eficiência do uso de recursos e fechar o ciclo deste nutriente. Entre as opções disponíveis, as cinzas do lodo de esgoto oriundas da mono-incineração demonstram grande aplicabilidade devido à ausência de contaminantes orgânicos e alta concentração de fosfato. Muitas tecnologias de recuperação estão em desenvolvimento na Europa, algumas delas em estágio avançadas, e outras ainda precisam de ajustes técnicos e econômicos. Este trabalho avalia processos desenvolvidos na Europa e que foram testados em níveis piloto e em larga escala, buscando destacar seus aspectos técnicos e econômicos através da análise de dados disponíveis em artigos acadêmicos, plataformas de dados europeias e realizando contatos diretos com as empresas. Esta avaliação revelou que todas as tecnologias descritas superaram a taxa de recuperação de fósforo mínima exigida pela legislação alemã. No entanto, o sucesso técnico e econômico desses processos não depende apenas do percentual de fósforo recuperado, mas também do cumprimento de altos padrões de eficiência energética, consumo otimizado de recursos e minimização de emissões. Deste modo, as tecnologias devem focar para além da recuperação do fósforo, promovendo a sua reciclagem de forma eficaz e agregando valor ao produto, só assim os produtos tornar-se-ão competitivos no mercado.

Abstract: Food security reliance on nutrients supply is a topic of concern given world population growth, change in eating habits, and resource scarcity. Phosphorus is an essential macronutrient for plant growth and has a high risk associated with its supply since it is a limited and irreplaceable resource. The phosphate rock resources are concentrated in specific geographic regions of the globe, and their mining activities have a substantial environmental impact. More and more has been observed a decreasing quality in phosphate rock ores, which are increasingly showing high levels of cadmium and uranium content. Additionally, the fertilizer overload on soils brings disastrous consequences to ecosystems, besides being inefficient. The solution for these problems relies on appropriate nutrient management, consisting of the introduction of sustainable agricultural practices allied to a circular economy for nutrients. In this respect, Germany and Switzerland are forerunners in Europe by promulgating a regulation framework to restructure the phosphorus linear value chain into a full circular economy. Phosphorus recovery from secondary resources is the primary tool to improve resource efficiency and close the nutrients loop. Among the options, sewage sludge ashes from mono-incineration demonstrate great applicability due to the absence of organic contaminants and high phosphate concentration. Many recovery technologies are in development in Europe, some of them are well advanced, but they still need technical and economic adjustments. This work assesses processes tested in pilot and large-scale levels in Europe, highlighting their technical and economic aspects by analysing the available data in academic articles, European data platforms, and contacting companies. This assessment revealed that the phosphorus recovery efficiency complies with the German regulations in all the described technologies. However, these processes' technical and economic success relies not only on improving the phosphorus recovery rates but also on meeting high standards for energy efficiency, resource consumption, and emissions minimization. Finally, the technologies must focus on going beyond recovery by effectively recycling and adding value to the product, turning it competitive in the market.

Kurzfassung: Die Abhängigkeit der Ernährungssicherheit von der Nährstoffversorgung ist angesichts des Wachstums der Weltbevölkerung, veränderter Ernährungsgewohnheiten und der Ressourcenknappheit ein Thema, das Anlass zur Sorge gibt. Phosphor ist ein essentieller Makronährstoff für das Pflanzenwachstum. Es besteht ein hohes Versorgungsrisiko, da es sich um eine begrenzte und gleichzeitig unersetzliche Ressource handelt. Die Phosphatgesteinsvorkommen sind in bestimmten geographischen Regionen der Welt konzentriert, und ihr Abbau hat erhebliche Auswirkungen auf die Umwelt. Immer häufiger ist eine abnehmende Qualität des Phosphatgesteins zu beobachten, die mit zunehmendenen Cadmiumund Urangehalte einhergeht. Darüber hinaus hat die industrielle Überdüngung katastrophale Folgen für die Ökosysteme und ist zudem ineffizient. Die Lösung dieser Probleme liegt bei einem sinnvollen Nährstoffmanagement, das durch die Einführung einer nachhaltigen Landwirtschaft in Verbindung mit einer Kreislaufwirtschaft für Nährstoffe realisiert wird. Unter dem Aspekt der Kreislaufwirtschaft sind Deutschland und die Schweiz Vorreiter in Europa, indem sie ein Regelwerk zur Umstrukturierung der linearen Phosphor-Wertschöpfungskette in eine vollständige Kreislaufwirtschaft erlassen haben. Die Rückgewinnung von Phosphor aus Sekundärrohstoffen ist das wichtigste Instrument zur Verbesserung der Ressourceneffizienz und zur Schließung des Nährstoffkreislaufs. Unter den möglichen Optionen zeigen Klärschlammaschen aus der Monoverbrennung aufgrund der Abwesenheit organischer Schadstoffe und der hohen Phosphatkonzentration ein großes Anwendungsspektum. Viele Technologien zur Rückgewinnung von Phosphor sind in Europa in der Entwicklung, einige davon sind weit fortgeschritten, andere bedürfen noch technischer und wirtschaftlicher Anpassungen. In dieser Arbeit werden Verfahren bewertet, die in Europa im Pilot- und Großmaßstab getestet wurden. Ihre technischen und wirtschaftlichen Aspekte werden durch die Analyse der verfügbaren Daten in wissenschaftlichen Publikationen, auf europäischen Datenplattformen und durch Kontaktaufnahme mit Unternehmen beleuchtet. Diese Bewertung ergab, dass die Phosphorrückgewinnungseffizienz bei allen beschriebenen Technologien den deutschen Vorschriften entspricht. Der technische und wirtschaftliche Erfolg dieser Verfahren hängt jedoch nicht nur von der Verbesserung der Phosphor- Rückgewinnungsraten ab, sondern auch von der Erfüllung hoher Standards für Energieeffizienz, Ressourcenverbrauch und Emissionsminimierung. Schließlich müssen die Technologien darauf ausgerichtet sein, die Rückgewinnung durch effektives Recycling und die Wertschöpfung des Produkts zu verbessern und es auf dem Markt wettbewerbsfähig zu machen.