Recuperación ultrasónica de fósforo de los lodos de depuradora
- La demanda mundial de fósforo está aumentando, mientras que los recursos naturales de fósforo son cada vez más escasos.
- Los lodos de depuradora y sus cenizas son ricos en fósforo y, por lo tanto, pueden utilizarse como fuente para recuperar fósforo.
- El procesamiento químico por vía húmeda y la precipitación asistidos por ultrasonidos mejoran la recuperación de fosfato de los lodos de depuradora y de las cenizas de los lodos incinerados, y hacen que la recuperación sea considerablemente más económica.
Fósforo
El fósforo (P) es un recurso no renovable que se utiliza ampliamente como fertilizante en la agricultura y en numerosas industrias, donde constituye un aditivo valioso (p. ej., en pinturas, detergentes para la ropa, retardantes de llama y piensos). Los lodos de depuradora, las cenizas de lodos de depuradora incinerados (ISSA), el estiércol y los efluentes de la industria láctea son ricos en fósforo, lo que los convierte en una fuente para su recuperación, tanto por el carácter limitado de este recurso como por motivos medioambientales.
Las tasas de recuperación de fósforo de las corrientes líquidas de aguas residuales pueden alcanzar del 40 al 50%, mientras que las tasas de recuperación de los lodos de depuradora y sus cenizas pueden llegar hasta el 90%. El fósforo puede precipitarse en numerosas formas, entre ellas la estruvita (valorada como fertilizante de alta calidad y liberación lenta). Para que la recuperación de fósforo sea económica, es necesario mejorar el proceso de recuperación. La ultrasonicación es un método de intensificación de procesos que acelera el proceso y aumenta el rendimiento de los minerales recuperados.
Recuperación ultrasónica de fósforo
Mediante sonicación pueden recuperarse materiales valiosos de las corrientes residuales, como estruvita (fosfato amónico magnésico (MAP)), fosfato de calcio, hidroxiapatita (HAP) / hidroxiapatita de calcio, fosfato octacálcico, fosfato tricálcico y fosfato dicálcico dihidratado. El tratamiento ultrasónico mejora la extracción química por vía húmeda, así como la precipitación y la cristalización (sonocristalización) de materiales valiosos de los lodos de depuradora y de las cenizas de los lodos incinerados.
Aunque el contenido de fósforo (8-10%), hierro (10-15%) y aluminio (5-10%) en las cenizas de lodos de depuradora monoincinerados es bastante elevado, estas también contienen metales pesados tóxicos como plomo, cadmio, cobre y zinc.
Recuperación de fósforo – Un proceso en dos etapas
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- Extracción ácida
La primera etapa de la recuperación de fósforo consiste en extraer o lixiviar el fósforo de los lodos de depuradora o de las cenizas de lodos de depuradora incinerados (ISSA) utilizando un ácido, como el ácido sulfúrico o el ácido clorhídrico. La mezcla ultrasónica favorece la lixiviación química por vía húmeda al aumentar la transferencia de masa entre el ácido y las ISSA, de modo que se consigue rápidamente una lixiviación completa del fósforo. Puede utilizarse una etapa de pretratamiento con el ácido denominado ethylenediaminetetraacetatic (EDTA) para mejorar el procedimiento de extracción.
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- Precipitación de fósforo
La cristalización ultrasónica mejora considerablemente la precipitación de fosfatos al aumentar los puntos de nucleación y acelerar la adsorción y la agregación de moléculas para formar un cristal. La precipitación ultrasónica de fósforo de los lodos de depuradora y de las ISSA puede lograrse, por ejemplo, utilizando hidróxido de magnesio e hidróxido de amonio. El precipitado resultante es estruvita, un compuesto formado por magnesio, amonio, fósforo y oxígeno.
Sonocristalización de estruvita
La dispersión ultrasónica favorece la transferencia de masa entre fases e inicia la nucleación y el crecimiento cristalino de los fosfatos (p. ej., estruvita / MAP).
La precipitación y la cristalización ultrasónicas de estruvita en línea permiten tratar corrientes de gran volumen a escala industrial. El tratamiento de una corriente de lodos de depuradora de gran volumen puede resolverse mediante un proceso ultrasónico continuo que acelera la cristalización de estruvita y mejora el tamaño de los cristales, produciendo partículas de fosfato más pequeñas y uniformes. La distribución del tamaño de las partículas precipitadas está determinada por la velocidad de nucleación y la posterior velocidad de crecimiento cristalino. La nucleación acelerada y la inhibición del crecimiento son los factores clave para la precipitación de partículas cristalinas de fosfato, es decir, estruvita, en una solución acuosa. La ultrasonicación es un método de intensificación de procesos que mejora la mezcla para obtener una distribución homogénea de los iones reactivos.
Se sabe que la precipitación ultrasónica proporciona una distribución más estrecha del tamaño de las partículas, cristales más pequeños, una morfología controlable y una elevada velocidad de nucleación.
Cristales de estruvita precipitados a partir de efluentes porcinos (fuente: Kim et al. 2017)
Pueden obtenerse buenos resultados de precipitación, por ejemplo, con PO3-4 : NH+4 : Mg2+ en una proporción de 1 : 3 : 4. El intervalo de pH de 8 a 10 permite alcanzar la máxima liberación de P en forma de fosfato
La ultrasonicación es una técnica de intensificación de procesos muy eficiente para favorecer la precipitación de materiales valiosos de las aguas residuales, como fosfato de calcio, fosfato amónico magnésico (MAP) e hidroxiapatita (HAP), hidroxiapatita de calcio, fosfato octacálcico, fosfato tricálcico y fosfato dicálcico dihidratado. Los lodos de depuradora, el estiércol y los efluentes de la industria láctea se conocen como aguas residuales ricas en nutrientes, adecuadas para producir materiales valiosos mediante precipitación asistida por ultrasonidos.
Formación de cristales de estruvita:
Mg2+ + NH+4 + HPO2-4 + H2O –> MgNH4PO4 ∙ 6H2O + H+
Procesadores ultrasónicos de alta potencia para escalas de laboratorio, piloto e industrial.
Equipos ultrasónicos industriales para lixiviación y precipitación
Para tratar cenizas de lodos de depuradora incinerados (ISSA) y lodos de depuradora a escala industrial se requieren sistemas y reactores ultrasónicos de alto rendimiento. Hielscher Ultrasonics está especializada en el diseño y la fabricación de equipos ultrasónicos de alta potencia – desde equipos de laboratorio y de sobremesa hasta unidades plenamente industriales. Los ultrasonicadores Hielscher son robustos y están diseñados para funcionar 24/7 a plena carga en entornos exigentes. Los accesorios, como los reactores de celda de flujo con diversas geometrías, los sonotrodos (sondas ultrasónicas) y los amplificadores de amplitud, permiten adaptar de forma óptima el sistema ultrasónico a los requisitos del proceso. Para procesar corrientes de gran volumen, Hielscher ofrece unidades ultrasónicas de 4 kW, 10 kW y 16 kW que pueden combinarse fácilmente en paralelo para formar conjuntos ultrasónicos.
Los sofisticados ultrasonicadores de Hielscher incorporan una pantalla táctil digital que facilita el manejo y permite controlar con precisión los parámetros del proceso.
La facilidad de uso y un manejo sencillo y seguro son características esenciales de los ultrasonicadores Hielscher. El control remoto mediante navegador permite manejar y controlar el sistema ultrasónico desde un PC, un teléfono inteligente o una tableta.
La siguiente tabla ofrece una indicación de la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros ultrasonicadores:
| Volumen del lote | Caudal | Equipos recomendados |
|---|---|---|
| 10 a 2000 mL | 20 a 400 mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 a 20 L | 0,2 a 4 L/min | UIP2000hdT |
| 10 a 100 L | 2 a 10 L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 a 100 L/min | UIP16000 |
| n.a. | mayor | conjunto de UIP16000 |
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Bibliografía y referencias
- Dodds, John A.; Espitalier, Fabienne; Louisnard, Olivier; Grossier, Romain; David, Rene; Hassoun, Myriam; Baillon, Fabien; Gatumel, Cendrine; Lyczko, Nathalie (2007): The effect of ultrasound on crystallisation-precipitation processes: Some examples and a new segregation model. Particle and Particle Systems Characterization, Wiley-VCH Verlag, 2007, 24 (1), pp.18-28
- Kharbanda, A.; Prasanna, K. (2016): Extraction of Nutrients from Dairy Wastewater in the Form of MAP (Magnesium Ammonium Phosphate) and HAP (Hydroxyapatite). Rasayan Journal of Chemistry Vol. 9, No. 2; 2016. 215-221.
- Kim, D.; Jin Min, K.; Lee, K.; Yu, M.S:; Park, K.Y. (2017): Effects of pH, molar ratios and pre-treatment on phosphorus recovery through struvite crystallization from effluent of anaerobically digested swine wastewater. Environmental Engineering Research 22(1), 2017. 12-18.
- Rahman, M., Salleh, M., Ahsan, A., Hossain, M., Ra, C. (2014): Production of slow release crystal fertilizer from wastewaters through struvite crystallization. Arab. J. Chem. 7, 139–155.
Información de interés
¿Cómo funciona la precipitación ultrasónica?
La ultrasonicación influye en la nucleación y el crecimiento cristalino, un proceso conocido como sonocristalización.
En primer lugar, la aplicación de ultrasonidos permite influir en la velocidad de nucleación, durante la cual se forman cristales sólidos a partir de una solución líquida. Los ultrasonidos de alta potencia generan cavitación, que consiste en el crecimiento y la implosión de burbujas de vacío en un medio líquido. La implosión de las burbujas de vacío introduce energía en el sistema y reduce el exceso crítico de energía libre. De este modo, los puntos de nucleación y la nucleación se generan a una velocidad elevada y en el momento más temprano posible. En la interfaz entre la burbuja de cavitación y la solución, la mitad de una molécula de soluto está solvatada por el disolvente, mientras que la otra mitad de la superficie molecular está cubierta por la burbuja de cavitación, de modo que disminuye la velocidad de solvatación. Se impide la redisolución de la molécula de soluto, mientras que aumenta la coagulación de las moléculas en la solución.
En segundo lugar, la sonicación favorece el crecimiento cristalino. La mezcla ultrasónica favorece el crecimiento de los cristales al aumentar la transferencia de masa y la agregación de moléculas.
Los resultados obtenidos mediante sonicación pueden controlarse mediante el modo de sonicación:
Sonicación continua:
El tratamiento ultrasónico continuo de la solución genera numerosos sitios de nucleación, de modo que se forma una gran cantidad de cristales pequeños
Sonicación pulsada:
La aplicación de sonicación pulsada / cíclica permite controlar con precisión el tamaño de los cristales
Sonicación para iniciar la nucleación:
Cuando los ultrasonidos se aplican únicamente al inicio del proceso de cristalización, se forma un número finito de núcleos que después crecen hasta alcanzar un tamaño mayor.
Mediante la ultrasonicación durante la cristalización, se puede influir en la velocidad de crecimiento, el tamaño y la forma de las estructuras cristalinas y controlarlos. Las distintas opciones de sonicación permiten controlar con precisión los procesos de sonocristalización y repetirlos.
Cavitación ultrasónica
Cuando los ultrasonidos de alta intensidad atraviesan un medio líquido, las ondas de alta presión (compresión) y de baja presión (rarefacción) se alternan en el líquido. Cuando la presión negativa causada por una onda ultrasónica que atraviesa un líquido es suficientemente elevada, la distancia entre las moléculas del líquido supera la distancia molecular mínima necesaria para mantenerlo intacto. Entonces, el líquido se rompe y se crean burbujas de vacío o cavidades. Estas burbujas de vacío también se conocen como burbujas de cavitación .
Las burbujas de cavitación utilizadas en aplicaciones de ultrasonidos de potencia, como la mezcla, la dispersión, la molienda, la extracción etc., se producen con intensidades ultrasónicas superiores a 10 Wcm2. Las burbujas de cavitación crecen durante varios ciclos acústicos de baja presión / alta presión hasta alcanzar un tamaño en el que ya no pueden absorber más energía. Cuando una burbuja de cavitación alcanza su tamaño máximo, implosiona violentamente durante un ciclo de compresión. El colapso violento de una burbuja de cavitación transitoria genera condiciones extremas, como temperaturas y presiones muy elevadas, diferencias de presión y temperatura muy grandes y chorros de líquido. Estas fuerzas originan los efectos químicos y mecánicos utilizados en las aplicaciones ultrasónicas. Cada burbuja que colapsa puede considerarse un microrreactor en el que se generan instantáneamente temperaturas de varios miles de grados y presiones superiores a mil atmósferas [Suslick et al 1986].
La extracción ultrasónica se basa en la cavitación acústica y sus fuerzas hidrodinámicas de cizallamiento
Fósforo
El fósforo es un recurso esencial y no regenerable, y los expertos ya prevén que el mundo alcanzará el «pico del fósforo», es decir, el momento a partir del cual la oferta ya no podrá satisfacer la creciente demanda, dentro de aproximadamente 20 años. La Comisión Europea ya ha clasificado el fósforo como materia prima crítica.
Los lodos de depuradora se utilizan a menudo como fertilizante esparcido sobre los campos. Sin embargo, dado que estos lodos contienen tanto fosfato valioso como metales pesados nocivos y contaminantes orgánicos, muchos países, como Alemania, limitan por ley la cantidad de lodos de depuradora que puede utilizarse como fertilizante. Muchos países, como Alemania, tienen normativas estrictas sobre fertilizantes que limitan rigurosamente la contaminación por metales pesados. Puesto que el fósforo es un recurso limitado, la normativa alemana sobre lodos de depuradora de 2017 exige a los operadores de depuradoras que reciclen los fosfatos.
El fósforo puede recuperarse de las aguas residuales, de los lodos de depuradora y de las cenizas de los lodos de depuradora incinerados.
Fosfato
Un fosfato, una sustancia química inorgánica, es una sal del ácido fosfórico. Los fosfatos inorgánicos se extraen mediante minería para obtener fósforo destinado a la agricultura y la industria. En química orgánica, un fosfato, u organofosfato, es un éster del ácido fosfórico.
No debe confundirse el término inglés «phosphorous» (fosforoso) con el elemento fósforo (símbolo químico P). Son dos cosas diferentes. El fósforo, un no metal multivalente del grupo del nitrógeno, se encuentra habitualmente en rocas de fosfato inorgánico.
Los fosfatos orgánicos son importantes en bioquímica y biogeoquímica.
Fosfato es el nombre del ion PO43-. El ácido fosforoso, por su parte, es el nombre del ácido triprótico H3PO3. Se trata de una combinación de 3 iones H+ y un ion fosfito (PO33-).
El fósforo es el elemento químico cuyo símbolo es P y cuyo número atómico es 15. Los compuestos de fósforo también se utilizan ampliamente en explosivos, agentes nerviosos, cerillas de fricción, fuegos artificiales, pesticidas, dentífricos y detergentes.
Estruvita
La estruvita, también denominada fosfato amónico magnésico (MAP), es un mineral de fosfato con la fórmula química NH4MgPO4·6H2O. La estruvita cristaliza en el sistema ortorrómbico en forma de cristales piramidales de color blanco a amarillento o blanco parduzco, o en formas laminares. Al ser un mineral blando, la estruvita tiene una dureza de Mohs de 1,5 a 2 y una densidad relativa baja de 1,7. En condiciones neutras y alcalinas, la estruvita es poco soluble, pero puede disolverse fácilmente en ácido. Los cristales de estruvita se forman cuando existe una proporción molar (1:1:1) de magnesio, amoníaco y fosfato en las aguas residuales. Los tres elementos – magnesio, amoníaco y fosfato – suelen estar presentes en las aguas residuales: el magnesio procede principalmente del suelo, del agua de mar y del agua potable; el amoníaco se genera por la descomposición de la urea en las aguas residuales; y el fosfato llega a las aguas residuales a partir de alimentos, jabones y detergentes. En presencia de estos tres elementos, es más probable que se forme estruvita con valores de pH más elevados, mayor conductividad, temperaturas más bajas y concentraciones más altas de magnesio, amoníaco y fosfato. La recuperación de fósforo de las corrientes de aguas residuales en forma de estruvita y el reciclaje de estos nutrientes como fertilizante agrícola son prometedores.
La estruvita es un valioso fertilizante mineral de liberación lenta utilizado en la agricultura, que ofrece las ventajas de ser granular, fácil de usar e inodoro.