A new filter material for phosphorus removal and recycling in small-scale wastewater treatment

Summary (in Italian) 
Le acque di scolo domestiche costituiscono un’importante sorgente di fosforo e con ciò 
una potenziale causa di inquinamento ambientale. In Svezia, come in altri paesi, è stimato 
che aree a bassa densità abitativa (regioni agricole etc.) non connesse ai convenzionali 
impianti di trattamento delle acque reflue a larga scala, comprendenti opportuni trattamenti 
terziari (biologico, precipitazione chimica) di rimozione del fosforo, contribuiscono 
ampiamente all’eutrofizzazione di laghi e corsi d’acqua. Un obiettivo importante da questo 
punto di vista consiste nella realizzazione di valide alternative a basso costo ed a bassa 
tecnologia per la rimozione del fosforo in impianti di depurazione delle acque a piccola 
scala. L’incorporazione di materiali fosforo-assorbenti come substrati in aree umide 
costruite (constructed wetlands) ed in sistemi filtranti (letti d’infiltrazione, colonne 
verticali) dopo un opportuno trattamento preliminare rappresenta una delle tecnologie 
emergenti più promettenti nel settore. Gli stessi substrati, una volta raggiunta la 
saturazione, potrebbero essere inoltre adoperati come fertilizzanti in agricoltura in un 
sistema economicamente sostenibile di rimozione, recupero e riciclaggio del fosforo, 
ammesso che il fosforo assorbito sia disponibile per le piante. Prove di invasatura e di 
estrazione chimica costituiscono valide metodologie per la valutazione di tale disponibilità. 
 
Nel presente studio il materiale Polonite
®
, derivato dalla lavorazione (calcinazione a 
900°C) della roccia Opoka, cui vasti giacimenti sono presenti in Russia ed in Polonia, è 
stato testato in relazione alle sue capacità di ritenzione del fosforo. Sono stati a tal fine 
eseguiti due esperimenti di colonna (lungo termine), entrambi in condizione di saturazione 
ma con differente carico di fosforo (continuo ed intermittente) attraverso l’acqua di scolo 
pompata e con diversa dimensione delle colonne. E’ stato inoltre svolto un esperimento di 
mescola (breve termine).  
 
In uno dei laboratori del Dipartimento di Risorse Idriche e Territoriali dell’Istituto Reale 
delle Tecnologie di Stoccolma, acqua reflua (3-5 mg/l PO
4
3-
) prelevata periodicamente 
all’impianto di trattamento di Loudden (Stoccolma) è stata fatta fluire in maniera continua 
(3 l/g) per 49 giorni , dal basso verso l’alto, per mezzo di una pompa peristaltica collegata 
ad un trasformatore, attraverso tre identiche piccole colonne cilindriche in vetro (diametro 
interno = 3.4 cm, altezza = 19 cm) riempite con Polonite
®
 (dimensioni grani 2-5.6 mm). 
Campioni sono stati prelevati quotidianamente sia dall’acqua affluente (mattina) alle 
colonne che da quella effluente (mattina e pomeriggio). Le analisi del contenuto di ioni 
fosfato (PO
4
3-
) di tutti i campioni prelevati a monte e di quelli pomeridiani prelevati a valle 
del trattamento, sono state effettuate con metodo colorimetrico (acido molibdato) per 
mezzo del sistema Aquatech autoanalyser. I risultati hanno mostrato una quasi completa 
rimozione del fosforo nei primi 10 giorni, una ritenzione oscillante ma consistentemente al 
di sopra del 90% durante i secondi 10 giorni e successivamente una crescente perdita 
dell’efficienza di assorbimento del materiale nelle colonne. 
 
All’impianto di trattamento di Loudden un esperimento di colonna (d=35 cm, h=60 cm) è 
stato svolto per 8 settimane in condizioni di flusso intermittente (5 l/h, 18 h/g). La colonna 
è stata installata a valle di un opportuno trattamento preliminare costituito da un treno di 
unità comprendenti due fosse settiche ed una colonna con filtro in polietilene ad alta 
densità (HDPE) con la funzione di imprigionare i solidi sospesi e le particelle di olio che 
avrebbero potuto intasare il materiale assorbente fosforo. Campioni sono stati prelevati 
settimanalmente dalla prima delle fosse settiche, dalla colonna con filtro in HDPE e 
iii
dall’acqua effluente a valle del trattamento. L’analisi di tali campioni ha evidenziato un 
totale assorbimento di fosforo nella colonna contenente Polonite
®
, ad eccezione delle 
ultime settimane, quando, sebbene lievemente, il contenuto di PO
4
3-
 è aumentato.  
 
Esperimenti di mescola per valutare le capacità di rimozione nel breve periodo sono stati 
eseguiti con campioni di diverso peso (2, 5, 10 g) di Polonite
®
, i quali sono stati posti a 
contatto con soluzioni del volume di 50 ml a crescente concentrazione di fosforo 
(rispettivamente 1, 3, 5, 10, 20 mg/l) per trenta minuti. Nessuna traccia di PO
4
3-
 è stata 
riscontrata dalle analisi finali. 
 
L’elevata capacità di assorbimento del materiale oggetto di studio è riconducibile all’ alto 
contenuto di ossidi di ferro, calcio ed alluminio (importanti nelle reazioni di 
immobilizzazione attraverso adsorbimento, scambio ionico e precipitazione dello ione 
fosfato) nella sua composizione chimica, ed alle sue particolari caratteristiche fisiche (alta 
porosità, buona conducibilità idraulica, estesa area superficiale).  
 
Un’ulteriore ricerca riguarderà prove in sito (aree umide), in condizioni climatiche variabili 
che , come accertato da recenti studi, possono influire notevolmente sui processi di 
assorbimento del fosforo. Sarà inoltre necessario valutare la Polonite
®
 in base alla sua 
capacità di abbattimento dell’azoto il quale, al pari del fosforo, rappresenta la prima causa 
di eutrofizzazione dei corsi d’acqua.  
 
Gli alti valori del pH rilevati negli effluenti, importanti solo nel caso gli scarichi post-
trattamento avvengano in piccoli bacini, e gli ancora elevati costi di lavorazione della 
materia prima Opoka, destinati a decrescere con la diffusione sul mercato, costituiscono un 
vincolo all’utilizzo della Polonite
®
 in piccoli impianti.  
 
Esperimenti di invasatura e di estrazione hanno designato la Polonite
®
 come uno dei 
materiali più adatti all’utilizzazione come fertilizzanti una volta saturi di fosforo. L’unico 
lato negativo da questo punto di vista riguarda la sua capacità nell’assorbire metalli 
pesanti, nocivi per le piante. Un accurato esame chimico dell’acqua da trattare è dunque 
necessario, sebbene le acque reflue domestiche solitamente non contengano tali sostanze. 
 
 
 iv
1.   INTRODUCTION 
Domestic wastewater is an important source of phosphorus (P). 71% of the P found in 
wastewater in Sweden originates from toilet waste (black water), P-containing detergents 
account for 21% and the remaining 8% is P in kitchen waste, skin flakes from showering, 
etc. Phosphorus is an essential nutrient for all living organisms. It is often a limiting 
nutrient for the growth of plants in terrestrial and aquatic environments.  As a result, 
phosphorus is applied at the landscape level in agriculture and home turf maintenance.  
Loadings of P in effluent discharges may be detrimental to the quality of receiving surface 
water bodies depending on the BOD/N/P ratio. Phosphorus concentrations in excess of 
0.03-0.05 mg/l have been associated with algal blooms, which lead to the eutrophication of 
lakes and rivers (Rozenvald et al., 1998), the only potential risk that P represents. The 
release of P to surface waters, and its consequent contribution to eutrophication, has led to 
increasing water quality concerns, so much so that stricter nutrients effluent standards have 
been introduced.  
 
The development of P removal techniques has been an ongoing process since 1950s and in 
the last decades new technologies are being developed to meet the needs of the 
increasingly stringent P effluent standards.  With the designation of  ’’sensitive waters’’ 
and ’’vulnerable zone’’ under the Urban Wastewater Treatment Directive (UWWTD) (EC, 
n.91/1991), the need for removal of phosphorus will increasingly be required. The 
UWWTD states that there will be the need to achieve total P emission standards of 1 mg/l 
for “sensitive areas” and renders obligatory the collection of sewage and the removal of 
phosphate in sewage works for all agglomerations of more than 10,000 PE (person 
equivalent) (i.e. population of 6–8,000) discharging into eutrophication “sensitive areas”, 
that is “eutrophic or which may in the near future become eutrophic”. The Directive also 
requires that “appropriate” treatment be installed for smaller agglomerations. This 
Directive thus effectively requires that phosphates be removed from sewage wherever they 
pose, or are susceptible to pose, environmental problems, including for small villages 
where appropriate. Policies are therefore being implemented in Western Europe and 
throughout the world, to reduce the level of P entering surface waters, by the carrying out 
of technologies to remove P from domestic and industrial wastewater.  As well as methods 
to remove P from wastewater, there are a number of technologies which further facilitate 
the recycling and beneficial re-use of P. 
 
Sweden and several other countries have a long tradition in phosphorus removal to protect 
the recipient from eutrophication. In Sweden, over 80% of the population is connected to 
wastewater treatment plants (WWTP) designed for 2000 PE or more, where P removal is 
employed (Statistics Sweden, 2000). Villages with less than 2000 inhabitants represents 5-
10% of the total volume of wastewater treated. Almost 1 million people in Sweden are 
dependent on on-site wastewater treatment, where the dominant treatment methods consist 
of a septic tank followed by either a sand filter or an infiltration bed. It is estimated that a 
significant proportion of P which cause eutrophication in lakes and water courses originate 
from private households (Vymazal et al., 1998). Moreover P discharges from private 
households in rural areas are of the same magnitude as the total discharges from all 
municipal sewage treatment plants. This is the reason why there is a growing demand for 
installation of advanced treatment process for phosphorus in small domestic WWTP. In 
1998 the Swedish Delegation for Sustainable Technology and Stockholm Vatten 
announced a competition to encourage the development of new technologies to reduce 
1
discharges from private dwellings and to enable efficient recycling of nutrients from 
wastewater to agriculture. 
 
The application to small domestic wastewater plants of biological processes, which have 
been developing for phosphorus removal, is not proper because they are not economic and 
rather complicated. In order to solve these problems, it is desirable to develop alternative 
phosphorus removal methods, which are inexpensive and simple. One means of achieving 
this goal would be to use reactive media with a high P-retention capacity in a subsurface 
flow constructed wetland. In this case, P-removal in the wetland would occur via plant 
uptake and mainly as a consequence of adsorption, complexation and precipitation 
reactions with aluminium (Al), iron (Fe), calcium (Ca) and clay minerals in the substrates. 
Soil substrates, which are efficient adsorbents of P, could facilitate P removal. The finding 
of efficient filter materials has been shown an important objective. In a sustainable system, 
the adsorbed P should be recycled in agricultural production when P saturation in the 
material is achieved. 
 
1.1   Objectives 
In future using specialized substrates as efficient adsorbents of phosphorus may be possible 
in an experimental vertical flow column included in already existing or new small scale 
wastewater treatment systems after a preliminary treatment consisting in bar screens, septic 
tank and biofilter column to trap larger particles and organic matter. The idea is also to use 
the P-sorbent media as a fertiliser in agriculture when it is saturated with P. This could be 
realizable in the case it is plant available to a large extent. The objective of this study was 
to quantify the removal capacity of phosphate achievable with the newly available reactive 
media Polonite
¨
 from domestic wastewater. A short-term batch experiment was performed 
to determine the removal capacity of Polonite
¨
 through the construction of sorption 
isotherms. Two different dynamic column experiments were selected to assess the long-
term attenuation capacities respectively under conditions of continuous and intermittent 
phosphate loading through wastewater. Methods employed to determine the mechanisms 
responsible for phosphate uptake included shape and position of columns breakthrough 
curves and geochemical speciation modelling of columns porewater. A general evaluation 
of the possibility of phosphate recovery by using filter substrates was made. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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