Recuperación ultrasónica del fósforo de los lodos de depuradora
- La demanda mundial de fósforo está aumentando, mientras que la oferta de recursos naturales de fósforo es cada vez más escasa.
- Los lodos de depuradora y las cenizas de lodos de depuradora son ricos en fósforo, por lo que pueden utilizarse como fuente de recuperación de fósforo.
- El tratamiento y la precipitación química húmeda por ultrasonidos mejoran la recuperación de fosfato a partir de lodos de depuradora, así como de las cenizas de lodos incinerados, y hacen que la recuperación sea significativamente más económica.
Fósforo
El fósforo (fósforo, P) es un recurso no renovable, muy utilizado en la agricultura como fertilizante, así como en muchas industrias, donde el fósforo es un aditivo valioso (por ejemplo, pinturas, detergentes para ropa, retardantes de llama, piensos). Los lodos de depuradora, las cenizas de lodos de depuradora incinerados (AISS), el estiércol y los efluentes lácteos son ricos en fósforo, lo que los convierte en una fuente de recuperación de fósforo en lo que respecta a los recursos finitos de fósforo, así como a las preocupaciones medioambientales.
Las tasas de recuperación de fósforo de los flujos de aguas residuales líquidas pueden alcanzar entre el 40 y el 50%, mientras que las tasas de recuperación de los lodos de depuradora y las cenizas de lodos de depuradora pueden llegar hasta el 90%. El fósforo puede precipitarse en muchas formas, una de ellas es la estruvita (valorada como fertilizante de alta calidad y liberación lenta). Para que la recuperación del fósforo resulte económica, hay que mejorar el proceso de recuperación. La ultrasonicación es un método de intensificación del proceso que lo acelera y aumenta el rendimiento de los minerales recuperados.
Recuperación de fósforo por ultrasonidos
Mediante sonicación, se pueden recuperar de los flujos de residuos materiales valiosos como la estruvita (fosfato amónico magnésico [MAP]), el fosfato cálcico, la hidroxiapatita [HAP] / hidroxiapatita cálcica, el fosfato octacálcico, el fosfato tricálcico y el fosfato dicálcico dihidratado. El tratamiento ultrasónico mejora la extracción química húmeda, así como la precipitación y cristalización (sono-cristalización) de materiales valiosos a partir de lodos de depuradora y de cenizas de lodos incinerados.
Aunque el contenido de fósforo (8-10%), hierro (10-15%) y aluminio (5-10%) en las cenizas de los lodos de depuradora monoincinerados es bastante elevado, también contienen metales pesados tóxicos como plomo, cadmio, cobre y zinc.
Recuperación de Phopshorus – Un proceso en dos fases
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- extracción ácida
El primer paso de la recuperación del fósforo es la extracción o lixiviación del fósforo de los lodos de depuradora o de las cenizas de lodos de depuradora incinerados (AISS) utilizando un ácido como el ácido sulfúrico o el ácido clorhídrico. El mezclado ultrasónico favorece la lixiviación química húmeda al aumentar la transferencia de masa entre el ácido y la AISS, de modo que se consigue rápidamente una lixiviación completa del fósforo. Puede utilizarse una etapa de pretratamiento con ácido etilendiaminotetraacético (EDTA) para mejorar el procedimiento de extracción.
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- Precipitación de fósforo
La cristalización ultrasónica mejora significativamente la precipitación de fosfatos al aumentar los puntos de siembra y acelerar la adsorción y agregación de moléculas para formar un cristal. La precipitación ultrasónica del fósforo de los lodos de depuradora y de la AISS 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 la estruvita
La dispersión ultrasónica favorece la transferencia de masa entre fases e inicia la nucleación y el crecimiento cristalino de los fosfatos (por ejemplo, estruvita / MAP).
La precipitación y cristalización en línea por ultrasonidos de la estruvita permite el tratamiento de grandes volúmenes a escala industrial. El problema de procesar una gran corriente de lodos de depuradora puede resolverse mediante un proceso ultrasónico continuo, que acelera la cristalización de la estruvita y mejora el tamaño de los cristales produciendo partículas de fosfato más pequeñas y uniformes. La distribución del tamaño de las partículas precipitadas determina la velocidad de nucleación y la posterior velocidad de crecimiento de los cristales. La aceleración de la nucleación 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 del proceso que mejora la mezcla para obtener una distribución homogénea de los iones reactivos.
Se sabe que la precipitación ultrasónica proporciona una distribución del tamaño de partícula más estrecha, un tamaño de cristal más pequeño, una morfología controlable y una velocidad de nucleación rápida.
Cristales de estruvita precipitados a partir de efluentes porcinos (fuente: Kim et al. 2017).
Se pueden obtener 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 conduce a la máxima liberación de fosfato P
La ultrasonicación es una técnica de intensificación de procesos muy eficaz para promover la precipitación de materiales valiosos como el fosfato cálcico, el fosfato amónico magnésico (MAP) y la hidroxiapatita (HAP), la hidroxiapatita cálcica, el fosfato octacálcico, el fosfato tricálcico y el fosfato dicálcico dihidratado a partir de aguas residuales. Los lodos de depuradora, el estiércol y los efluentes lácteos son aguas residuales ricas en nutrientes, adecuadas para la producción de 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 desde el laboratorio hasta la escala piloto e industrial.
Equipos industriales de ultrasonidos para lixiviación y precipitación
Para tratar las cenizas de lodos de depuradora incinerados (AISS) y los lodos de depuradora a escala industrial se necesitan sistemas y reactores ultrasónicos de alto rendimiento. Hielscher Ultrasonics está especializada en el diseño y fabricación de equipos ultrasónicos de alta potencia – desde unidades de laboratorio y sobremesa hasta unidades totalmente industriales. Los ultrasonidos Hielscher son robustos y están diseñados para funcionar 24 horas al día, 7 días a la semana, a plena carga y en entornos exigentes. Accesorios como reactores de celda de flujo con diversas geometrías, sonotrodos (sondas ultrasónicas) y bocinas de refuerzo permiten la adaptación óptima del sistema ultrasónico a los requisitos del proceso. Para procesar flujos de gran volumen, Hielscher ofrece unidades de ultrasonidos de 4 kW, 10 kW y 16 kW, que pueden combinarse fácilmente en paralelo para formar grupos de ultrasonidos.
Los sofisticados ultrasonidos de Hielscher incorporan una pantalla táctil digital que facilita el manejo y el control preciso de los parámetros del proceso.
La facilidad de uso y un funcionamiento sencillo y seguro son características clave de los ultrasonidos de Hielscher. El control remoto por navegador permite manejar y controlar el sistema de ultrasonidos a través de PC, smartphone o tableta.
En la siguiente tabla encontrará algunas indicaciones sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores:
| Volumen del lote | Tasa de flujo | Dispositivos 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 | Grupo de UIP16000 |
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Literatura/Referencias
- Dodds, John A.; Espitalier, Fabienne; Louisnard, Olivier; Grossier, Romain; David, Rene; Hassoun, Myriam; Baillon, Fabien; Gatumel, Cendrine; Lyczko, Nathalie (2007): El efecto de los ultrasonidos en los procesos de cristalización-precipitación: Algunos ejemplos y un nuevo modelo de segregación. Particle and Particle Systems Characterization, Wiley-VCH Verlag, 2007, 24 (1), pp.18-28
- Kharbanda, A.; Prasanna, K. (2016): Extracción de nutrientes de aguas residuales lácteas en forma de MAP (fosfato amónico de magnesio) y HAP (hidroxiapatita). 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): Efectos del pH, las relaciones molares y el pretratamiento en la recuperación de fósforo mediante cristalización de estruvita a partir de efluentes de aguas residuales porcinas digeridas anaeróbicamente.. Investigación en ingeniería ambiental 22(1), 2017. 12-18.
- Rahman, M., Salleh, M., Ahsan, A., Hossain, M., Ra, C. (2014): Producción de fertilizante cristalino de liberación lenta a partir de aguas residuales mediante cristalización de estruvita. Arab. J. Chem. 7, 139-155.
Información interesante
¿Cómo funciona la precipitación ultrasónica?
La ultrasonicación influye en la nucleación y el crecimiento de los cristales, un proceso conocido como sonocristalización.
En primer lugar, la aplicación de ultrasonidos permite influir en la tasa de nucleación, donde se forman cristales sólidos a partir de una solución líquida. Los ultrasonidos de alta potencia crean cavitación, que es el crecimiento e 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 siembra y la nucleación se inician a un ritmo elevado y en el momento más temprano. En la interfaz entre la burbuja de cavitación y la solución, la mitad de una molécula de soluto queda disuelta por el disolvente, mientras que la otra mitad de la superficie de la molécula queda cubierta por la burbuja de cavitación, de modo que la velocidad de disolución disminuye. 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 de los cristales. La mezcla ultrasónica favorece el crecimiento de los cristales al aumentar la transferencia de masa y la agregación de moléculas.
Los resultados obtenidos por sonicación pueden controlarse mediante el modo de sonicación:
Sonicación continua:
El tratamiento ultrasónico continuo de la solución produce muchos sitios de nucleación, de modo que se crea un gran número de pequeños cristales
Sonicación pulsada:
La aplicación de la sonicación pulsada/ciclada permite controlar con precisión el tamaño de los cristales
Sonicación para iniciar la nucleación:
Cuando se aplican ultrasonidos sólo durante el inicio del proceso de cristalización, se forma un número finito de núcleos, que luego crecen hasta alcanzar un tamaño mayor.
La utilización de ultrasonidos durante la cristalización permite influir y controlar la velocidad de crecimiento, el tamaño y la forma de las estructuras cristalinas. Las diversas opciones de sonicación hacen que los procesos de sono-cristalización sean controlables y repetibles con precisión.
Cavitación ultrasónica
Cuando los ultrasonidos de alta intensidad atraviesan un medio líquido, se alternan ondas de alta presión (compresión) y baja presión (rarefacción) a través del líquido. Cuando la presión negativa provocada por una onda ultrasónica que atraviesa un líquido es lo suficientemente grande, la distancia entre las moléculas del líquido supera la distancia molecular mínima necesaria para mantener el líquido intacto, y entonces el líquido se rompe de forma que se crean burbujas de vacío o vacíos. Esas burbujas de vacío también se conocen como cavitación burbujas.
Las burbujas de cavitación se utilizan para aplicaciones ultrasónicas de potencia, como la mezcla, Dispersión, Pulverizar, Extracción etc. se producen con intensidades de ultrasonidos superiores a 10 Wcm2. Las burbujas de cavitación crecen a lo largo de varios ciclos acústicos de baja presión / alta presión hasta que alcanzan una dimensión en la que no pueden absorber más energía. Cuando una burbuja de cavitación ha alcanzado su tamaño máximo, implosiona violentamente durante un ciclo de compresión. El colapso violento de una burbuja de cavitación transitoria crea condiciones extremas, como temperaturas y presiones muy elevadas, diferenciales de presión y temperatura muy altos y chorros de líquido. Esas fuerzas son la fuente de los efectos químicos y mecánicos utilizados en las aplicaciones ultrasónicas. Cada burbuja en colapso puede considerarse como un microreactor en el que se crean instantáneamente temperaturas de varios miles de grados y presiones superiores a mil atmósferas [Suslick et al 1986].
La extracción por ultrasonidos se basa en la cavitación acústica y sus fuerzas de cizallamiento hidrodinámicas
Fósforo
El fósforo es un recurso esencial, no regenerable, y los expertos ya predicen que el mundo alcanzará el “pico de fósforo”es decir, el momento a partir del cual la oferta ya no podrá satisfacer el aumento de la demanda, en unos 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 por los campos. Sin embargo, dado que los lodos de depuradora no sólo contienen fosfatos valiosos, sino también metales pesados y contaminantes orgánicos nocivos, muchos países, como Alemania, restringen por ley la cantidad de lodos de depuradora que pueden utilizarse como abono. Muchos países, como Alemania, tienen estrictas normativas sobre fertilizantes, que limitan estrictamente la contaminación con metales pesados. Dado que el fósforo es un recurso finito, el Reglamento alemán sobre lodos de depuradora de 2017 exige a los operadores de plantas de aguas residuales que reciclen los fosfatos.
El fósforo puede recuperarse de las aguas residuales, de los lodos de depuradora, así como de las cenizas de los lodos de depuradora incinerados.
Fosfato
Un fosfato, sustancia química inorgánica, es una sal del ácido fosfórico. Los fosfatos inorgánicos se extraen para obtener fósforo que se utiliza en la agricultura y la industria. En química orgánica, un fosfato, u organofosfato, es un éster del ácido fosfórico.
No confunda el nombre fósforo con el elemento fósforo (símbolo químico P). Son dos cosas distintas. El fósforo, un no metal multivalente del grupo del nitrógeno, suele encontrarse en las rocas inorgánicas de fosfato.
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 H+ y un fosfito (PO33-) ión.
El fósforo es el elemento químico que tiene el símbolo P y el número atómico 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 fosfatado cuya fórmula química es 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 similares a plaquetas. Al ser un mineral blando, la estruvita tiene una dureza Mohs de 1,5 a 2 y un bajo peso específico de 1,7. En condiciones neutras y alcalinas, la estruvita es poco soluble, pero se disuelve fácilmente en ácido. Los cristales de estruvita se forman cuando hay una proporción molar a molar (1:1:1) de magnesio, amoníaco y fosfato en las aguas residuales. Los tres elementos – magnesio, amoníaco y fosfato – están normalmente presentes en las aguas residuales: el magnesio procede principalmente del suelo, el agua de mar y el agua potable, el amoniaco se descompone a partir de la urea de las aguas residuales, y el fosfato entra en las aguas residuales a partir de los alimentos, los jabones y los detergentes. Con la presencia de estos tres elementos, es más probable que la estruvita se forme a valores de pH más altos, conductividad más alta, temperaturas más bajas y concentraciones más altas de magnesio, amoníaco y fosfato. La recuperación del fósforo de las aguas residuales en forma de estruvita y el reciclado de esos nutrientes como abono para la agricultura son prometedores.
La estruvita es un valioso fertilizante mineral de liberación lenta utilizado en agricultura, que presenta las ventajas de ser granulado, fácil de usar y sin olor.