Rimozione del fosforo dalle acque reflue: il ruolo del cloruro di ferro (III)

Il fosforo è un elemento indispensabile per gli organismi viventi, ma il suo apporto in quantità eccessive nei corpi idrici ne altera l’equilibrio. Per questo motivo, gli impianti di trattamento delle acque reflue, sia comunali che industriali, sono tenuti a ridurre il contenuto di fosforo prima dello scarico. La precipitazione chimica con sali di ferro è uno dei metodi più utilizzati a tal fine, e il più noto di questi sali è il cloruro di ferro (III) (noto scientificamente come cloruro ferrico, Iron(III) Chloride o Ferric Chloride).

Questo articolo illustra il principio di funzionamento della rimozione del fosforo con il cloruro di ferro (III), per aiutare gli operatori e gli ingegneri a comprendere il processo di dosaggio prima dei test di flottazione e a stabilire il dosaggio corretto. Per quanto riguarda le caratteristiche della sostanza stessa e il suo confronto con l’allume, sul sito sono disponibili due articoli dedicati.

Perché si regola il fosforo?

L’eutrofizzazione è l’arricchimento dell’acqua di sostanze nutritive, in particolare composti azotati e fosforici, che provoca una crescita accelerata di alghe e piante acquatiche, compromettendo l’equilibrio della fauna acquatica e la qualità dell’acqua. Le fioriture algali dense comportano una riduzione del cibo e degli habitat disponibili per gli organismi acquatici. Quando le alghe muoiono e si decompongono, l’ossigeno disciolto diminuisce, il che può causare la moria dei pesci.

Per questo motivo la legislazione stabilisce limiti per lo scarico del fosforo. A titolo di esempio di tali limiti, la direttiva europea sul trattamento delle acque reflue urbane (91/271/CEE) prevede, per gli scarichi in zone sensibili alla fitoplanctonizzazione, una delle due condizioni seguenti o entrambe, a seconda della situazione locale: una concentrazione massima di fosforo totale pari a 2 mg/l per gli impianti che servono da 10.000 a 100.000 abitanti equivalenti e 1 mg/litro per quelle con più di 100.000, oppure un tasso di riduzione non inferiore all’80%. I limiti variano da paese a paese e da corso d’acqua a corso d’acqua; si prega quindi di fare riferimento all’autorizzazione allo scarico in vigore nella propria zona.

In che modo il cloruro di ferro (III) rimuove il fosforo?

L’agente attivo in questo caso è lo ione ferro (III). Se si utilizza il ferro (II), questo diventa efficace solo dopo essere stato ossidato a ferro (III). In termini semplificati, la reazione consiste nella combinazione dello ione ferro (III) con il fosfato (ortofosfato disciolto) per formare il fosfato di ferro (III) FePO₄, poco solubile, che viene separato mediante sedimentazione o filtrazione. Questa formula presuppone che ogni mole di ferro rimuova una mole di fosforo.

Ma la realtà è più complessa. L’ione ferro (III) subisce contemporaneamente una idrolisi, formando un precipitato di idrossido di ferro (III), e questa idrolisi compete con la formazione del fosfato di ferro (III). Questo precipitato cattura il fosfato per adsorbimento e per la precipitazione associata. Gli studi divergono su quale dei due percorsi prevalga nelle diverse condizioni, ma concordano sul fatto che il ferro aggiunto si distribuisca tra le due reazioni e che, per ottenere un residuo di fosforo basso, sia necessario più ferro di quanto calcolato teoricamente. Torneremo su questo punto nel paragrafo dedicato al rapporto molare.

Dove viene aggiunto? Tre punti chiave

Non esiste una soluzione sempre ottimale e alcuni impianti combinano più fasi. La scelta dipende dal limite richiesto, dalle unità esistenti, dalla sensibilità dei fanghi attivi e dal metodo di trattamento dei fanghi.

Rapporto ferro/fosforo (Fe:P)

La dose viene solitamente espressa come rapporto molare tra il ferro e il fosforo da rimuovere:

• In teoria, un mole di ferro per ogni mole di fosforo (1:1), ovvero circa 1,8 grammi di ferro per ogni grammo di fosforo (calcolo basato sulle masse atomiche: Fe = 55,845 e P = 30,974).
• In pratica, il rapporto molare varia solitamente tra 1 e 3 quando il fosforo residuo nelle acque secondarie è superiore a 0,5 mg/l; alcune fonti indicano, per l’aggiunta successiva, un valore compreso tra 1,5 e 2,5 moli per ogni mole di fosforo.
• Man mano che il valore target diminuisce, il rapporto aumenta. Il raggiungimento di un fosforo residuo molto basso richiede dosi molto più elevate rispetto al calcolo teorico e potrebbe richiedere una successiva filtrazione.

Esempio di calcolo illustrativo, non una raccomandazione sul dosaggio: per rimuovere 4 mg/l di fosforo (sotto forma di ortofosfato) con un rapporto molare di 1,5, sono necessari circa 10,8 mg/l di ferro. Poiché il contenuto di ferro nella soluzione di cloruro di ferro (III) al 40% di Egy Chem Hub varia tra il 13 e il 14% in peso, ciò equivale a circa 77-83 grammi di soluzione per metro cubo. La dose effettiva rimane soggetta a prove di campo, poiché la dose ottimale varia in base alla concentrazione di fosfato, al pH e alla composizione dell’acqua.

Per ottenere una base di calcolo valida:

• Specificare la forma di fosforo da rimuovere: ortofosfato disciolto o fosforo totale, compreso quello particellare.
• Utilizzare un’unica unità di misura per il confronto: kg di ferro, kg di FeCl₃ anidro o kg di soluzione.
• La formula FeCl₃ si riferisce al composto anidro, mentre il prodotto commerciale è una soluzione acquosa; si fa quindi riferimento al suo contenuto di ferro indicato nella scheda tecnica.

Alcalinità e pH

Il cloruro di ferro (III) consuma l’alcalinità dell’acqua durante la sua decomposizione; il valore pubblicato varia tra circa 0,92 e 0,93 mg/l (come CaCO₃) per ogni 1 mg/l di FeCl₃ anidro. In termini di equivalenza, ciò corrisponde a circa 2,7 mg/l (come CaCO₃) per ogni 1 mg/l di ferro. Nell’esempio precedente (10,8 mg/l di ferro) ciò comporta un consumo di circa 29 mg/l di alcalinità, un valore da considerarsi approssimativo dal punto di vista matematico.

Importanza di questo dato nell’impianto:

• Nell’aggiunta simultanea, il pH nel bacino biologico potrebbe diminuire a livelli non tollerabili dai microrganismi; pertanto, sono stati condotti alcuni studi di laboratorio con l’aggiunta di bicarbonato di sodio per compensare l’alcalinità.
• La bassa alcalinità dell’acqua grezza richiede la valutazione del costo della sua compensazione (calce, soda o bicarbonato) nell’ambito del costo totale, non solo del prezzo della soluzione.
• Il valore del pH viene monitorato immediatamente dopo il punto di aggiunta e nel bacino biologico, e si determina in loco se la compensazione è necessaria.

Effetto dell’aggiunta sui fanghi

Ogni precipitazione chimica del fosforo aumenta la quantità di fanghi. Il ferro aggiunto si trasforma in idrossido e fosfato insolubili che si accumulano nei fanghi. Per stimare il limite massimo teorico: ogni 1 mg di ferro produce, nei casi estremi, circa 1,9 mg di idrossido di ferro (III) (calcolato a secco), massa che va aggiunta al fango prodotto prima di considerare l’acqua ad esso associata.

La letteratura indica che un aumento della dose oltre il necessario comporta un aumento sia dei costi che della quantità di fanghi. Per quanto riguarda l’effetto del ferro sulla disidratabilità dei fanghi, la letteratura disponibile non concorda su una regola generale. Pertanto, tale effetto va misurato sui fanghi dell’impianto stesso prima di stabilire il punto di aggiunta.

Breve confronto con la rimozione biologica

La rimozione biologica potenziata del fosforo (EBPR) si basa su organismi in cui si accumulano composti fosfatici e il cui ambiente alterna condizioni anaerobiche e aerobiche. Nella zona anaerobica, questi organismi necessitano di una fonte di carbonio facilmente assimilabile, come gli acidi grassi volatili, per la quale sono in competizione con altri organismi. Di conseguenza, le loro prestazioni sono influenzate dalla composizione delle acque reflue e dalle condizioni operative.

La precipitazione chimica, invece, si caratterizza per la rapidità di esecuzione e non richiede alcuna modifica del processo biologico; l’operatore controlla il risultato regolando il dosaggio. D’altra parte, l’impianto sostiene costi continui per i prodotti chimici e produce una maggiore quantità di fanghi. Per questo motivo, molti impianti combinano i due metodi: rimozione biologica di gran parte del fosforo e precipitazione chimica come fase di affinamento o di supporto per raggiungere il limite richiesto. La scelta tra le due opzioni dipende dai costi di investimento e di esercizio, nonché dalle condizioni specifiche di ciascun impianto.

Avvertenze operative

1. Il test di dosaggio sull’acqua reale è fondamentale per determinare il dosaggio ottimale e il punto di aggiunta, e va ripetuto quando cambia la composizione dell’acqua.
2. Miscelazione rapida nel punto di iniezione: studi di laboratorio dimostrano che il ferro aggiunto direttamente all’acqua contenente fosfati è più efficace nel rimuoverli rispetto all’idrossido di ferro (III) preparato in precedenza; pertanto, il punto di iniezione va progettato in modo che la soluzione si disperda rapidamente nell’acqua.
3. Evitare il sovradosaggio: aumenta i costi e la produzione di fanghi e richiede una verifica dei limiti di ferro residuo nelle acque reflue, se previsti nell’autorizzazione.
4. Materiali e manipolazione: la soluzione è acida e altamente corrosiva per i metalli. Nei serbatoi, nelle pompe e nelle linee di iniezione devono essere utilizzati materiali non metallici o adeguatamente rivestiti. La scheda di sicurezza indica di non immagazzinarlo insieme a metalli, alcali e sostanze riducenti, e segnala la possibilità che si generino grandi quantità di idrogeno a contatto con metalli quali alluminio e zinco.
5. Sicurezza: la versione 2 della scheda di sicurezza (SDS) relativa alla soluzione di cloruro di ferro (III) al 40% di Egy Chem Hub classifica il prodotto come potenzialmente corrosivo per i metalli (H290), nocivo se ingerito (H302), causa gravi ustioni cutanee e lesioni agli occhi (H314) e provoca gravi lesioni agli occhi (H318). È necessario indossare guanti, protezioni per gli occhi e il viso e indumenti protettivi, nonché consultare la scheda di sicurezza prima della manipolazione.

Soluzione di cloruro ferrico (III) al 40% di Egy Chem Hub

Egy Chem Hub fornisce una soluzione di cloruro ferrico (III) al 40% (Ferric Chloride Solution 40%, nome commerciale ECH-FR4014), una soluzione acquosa di colore marrone-rossastro utilizzata come coagulante nel trattamento dell’acqua potabile, dell’acqua di processo e delle acque reflue. La scheda tecnica (TDS) riporta le seguenti caratteristiche:

• Concentrazione fino al 40% (±2%) in peso, ovvero 400 g/kg, che equivale a circa 568 g/l con una densità relativa di 1,42.
• Contenuto di ferro dal 13 al 14%, ferro bivalente fino all’1% e acidità libera fino all’1%.
• Densità relativa 1,42 (±0,02) a 20 °C; si dissolve completamente in acqua.
• Il dosaggio ottimale viene determinato mediante prova di dosaggio; può essere iniettato concentrato o dopo diluizione.

Viene confezionato in fusti in HDPE da 280 kg e in contenitori IBC da 1.400 kg, ed è disponibile anche sfuso. Origine: Egitto; durata di conservazione: 12 mesi; ordine minimo: un fusto (280 kg). Il prodotto è fabbricato in uno stabilimento certificato NSF secondo la norma NSF/ANSI/CAN 60 per applicazioni di coagulazione e flocculazione nel trattamento dell’acqua potabile. La concentrazione massima d’uso registrata nell’elenco NSF è di 100 mg/l calcolata sulla base di FeCl₃ (secondo i dati di Egy Chem Hub) per l’applicazione alle acque potabili; tale valore non è utilizzato per determinare le dosi di scarico. Le schede TDS e SDS sono disponibili su richiesta.

Contatti

Per richiedere un preventivo o le specifiche tecniche della soluzione di cloruro di ferro (III) al 40%, contatta il team di Egy Chem Hub e allega i dati disponibili relativi alla tua acqua: livello e forma del fosforo, alcalinità, punto di aggiunta proposto e limite di scarico richiesto.