Varias soluciones para recuperar el fósforo de los lodos de depuradora municipales
El fósforo es un mineral de recursos críticos cuyo suministro natural disminuye rápidamente. En consecuencia, el gobierno alemán promulgó por decreto que a partir de 2029 el fósforo debe recuperarse en gran medida de los lodos de depuradora. La aplicación del ultrasonido de potencia abre diversas opciones para intensificar la recuperación de fósforo a partir de los lodos de depuradora municipales.
Plantas de tratamiento de lodos de depuradora y reciclado de fósforo
El fósforo es un elemento crítico, ampliamente utilizado como fertilizante y materia prima en la industria química fina y farmacéutica. Debido a la rápida disminución de los recursos disponibles, el gobierno alemán ha implantado una ley por la que todas las plantas municipales de tratamiento de aguas residuales deben establecer medidas para recuperar el fósforo de los lodos de depuración municipales. La aplicación de ultrasonidos de alto rendimiento ofrece diversas opciones de tratamiento, que aumentan considerablemente la eficacia de la recuperación de fósforo.

Las plantas de tratamiento de aguas residuales utilizan ultrasonidos para mejorar la digestión de los lodos y recuperar nutrientes como el fósforo.
Desintegración ultrasónica de lodos de depuradora para mejorar la recuperación de forforo
Se ha demostrado claramente que la irradiación de los lodos de depuradora con potentes ondas ultrasónicas mejora la desintegración de la biomasa de los lodos de depuradora. Numerosos estudios de investigación han demostrado las ventajas del tratamiento de lodos activados por ultrasonidos y varios sistemas industriales de ultrasonidos funcionan en plantas municipales de tratamiento de aguas residuales en Alemania.
El pretratamiento ultrasónico de los sustratos de los lodos de depuradora tiene varios efectos beneficiosos para los procesos de digestión anaerobia. Estos beneficios incluyen la reducción del tamaño de las partículas, el aumento de la velocidad de hidrólisis y la reducción del tiempo de retención hidráulica.
Las fuerzas de cizallamiento cavitacional generadas por ondas ultrasónicas de alta intensidad / baja frecuencia provocan la ruptura de la morfología de los flóculos de lodo y de la estructura microbiana de los lodos.
The research team of Nguyen demonstrated in their studies “that the application of ultrasound is very effective in reducing the particle size of biomass, achieving a reduction to an average particle size of >78.78% proportional to the length of time and intensity of ultrasonic irradiation exposure. This indicated that the sludge particles disintegrated and sludge particle size decreased, based on an inverse relationship between the sonication time and floc particle size. The application was highly effective, despite the fact that sludge floc observations before treatment revealed that the sludge flocs were dense and highly compact, composed of many sub-compartments with compact cores, cell clusters, bacterial colonies, protozoa, and filamentous bacteria, among other factors. Analysis of the effluent shows that the ultrasonic process significantly disintegrated the structural integrity of sludge flocs of all sizes. Floc pieces were reduced to as little as ≤6.5 μm under optimal treatment conditions, and were dissolved in the sludge slurry after 5–10 min of ultrasonic treatment with a low ultrasound frequency of 20 kHz.” (Nguyen et al., 2015)
Un lodo de depuradora eficazmente desintegrado, es decir, sonicado, muestra propiedades de separación significativamente mejoradas que permiten eliminar fracciones ricas en fósforo de la biomasa y fracciones gelatinosas, así como agua. La cavitación ultrasónica altera las estructuras celulares de la biomasa de los lodos de depuradora y facilita el posterior fraccionamiento en tres fracciones de (i) fibras ricas en celulosa, (ii) un gel rico en nutrientes y (iii) un líquido fácilmente fermentable. Estas tres fracciones de los lodos se pueden procesar posteriormente, por ejemplo, recuperación de fósforo, eliminación de metales pesados, etc.
- Mejora de la digestión anaerobia
- Menor granulometría de los trozos de flóculo
- Mayor recuperación de fósforo, minerales y metales (pesados)
- Alternativa sin productos químicos a la adsorción convencional
Precipitación química húmeda intensificada por ultrasonidos de fósforon
La ultrasonicación es una técnica bien conocida y utilizada desde hace mucho tiempo en química para la precipitación eficaz y segura de minerales, partículas y cristales. Para la recuperación del fósforo de los lodos de depuradora, se aplica la sonicación con el fin de promover y acelerar la precipitación de la estruvita. La estruvita (fosfato de magnesio y amonio) es un mineral fosfatado de fórmula NH4MgPO4-6H2 O, que ofrece una solución sencilla para eliminar el fósforo en forma ligada de los lodos residuales.
Durante el proceso de cristalización/precipitación de la estruvita, los iones PO43-NH4+y Mg2+ se eliminan de la fase líquida debido a la precipitación de estruvita, hasta que la reacción alcanza el equilibrio.

Cristales de estruvita precipitados a partir de efluentes porcinos.
(imagen y estudio: ©Kim et al. 2017)
Cuando se aplica la ultrasonicación como pretratamiento de los lodos antes del proceso de precipitación de la estruvita, la cavitación inducida por ultrasonidos proporciona una mezcla completa a nivel molecular que proporciona una superficie activa para el crecimiento de los cristales. El aumento de la tasa de solubilización de las sustancias extracelulares e intracelulares favorece aún más la precipitación de la estruvita al aumentar la biodisponibilidad del NH4+ y PO43- iones. El tratamiento de sonicación facilita la transferencia de masa a través del lodo, causada por la cavitación ultrasónica.
La sonicación también puede aplicarse al licor de carbonización hidrotermal, donde el fósforo se recicla como estruvita a partir del licor de carbonización hidrotermal mediante extracción y precipitación asistida por ultrasonidos.
Más información sobre la precipitación de estruvita a gran escala para recuperar el fósforo de los lodos de depuradora.

Sistema industrial de ultrasonidos para el tratamiento de lodos de depuradora a gran escala en modo de flujo continuo.
Sono-Fenton para la liberación de fósforo de los lodos de depuradora
El estudio de Gong et al. (2015) demostró la eficacia de un pretratamiento combinado ultrasonidos-Fenton (también conocido como sono-Fenton) para la desintegración de lodos de depuradora. La aplicación del tratamiento ultrasonidos-Fenton aumentó significativamente la liberación de carbono, nitrógeno y fósforo. El tratamiento sono-Fenton aumentó el nitrógeno (N) total y el fósforo (P) en 1,7 y 2,2 veces, respectivamente, en comparación con el tratamiento Fenton solo. Tras el tratamiento sono-Fenton, los lodos mostraron un tamaño de partícula considerablemente más fino y una microestructura más suelta según la microscopía electrónica de barrido. Mediante resonancia de espín electrónico, la intensidad de la señal OH- más alta aumentó de 568,7 por el tratamiento Fenton a 1106,3 tras el tratamiento sono-Fenton. Esto demostró que el tratamiento sono-Fenton induce la desintegración de los lodos y mejora significativamente la liberación de carbono orgánico, nitrógeno y fósforo.
Pilas de combustible microbianas intensificadas por ultrasonidos
El pretratamiento ultrasónico de los lodos de depuradora favorece la solubilización de diversos compuestos orgánicos de la matriz del lodo, lo que posteriormente acelera la electrohidrogénesis microbiana.
More y Ghangrekar (2010) atribuyen los efectos beneficiosos del pretratamiento por sonicación en las pilas de combustible microbianas a la mejora de las actividades enzimáticas y a la disponibilidad de proteínas extracelulares, polisacáridos y enzimas, que se liberan de las capas internas de los flóculos de lodo a las capas externas mediante la sonoporación ultrasónica y la disrupción celular, lo que se traduce en una mejora de la eficiencia de utilización del sustrato. Para mejorar la captación de electricidad de las pilas de combustible microbianas, es necesario mejorar la capacidad de transferencia de electrones de las bacterias a una sustancia sólida extracelular. Esta transferencia extracelular de electrones puede producirse en contacto directo entre la superficie celular y la superficie sólida o indirectamente a través de los denominados mediadores exógenos y endógenos. Para que se produzca una transferencia directa de electrones entre las bacterias y la superficie del electrodo, el electrón debe alcanzar la membrana externa de la célula. Este fenómeno podría haberse producido debido al pretratamiento con ultrasonidos aplicado al inóculo cuando la energía específica suministrada era adecuada, favoreciendo así una mayor eficiencia coulómbica.
Un proceso de electrólisis microbiana intensificado por ultrasonidos podría combinarse con procesos de fermentación posteriores para el tratamiento de lodos.
Tratamiento sonoelectroquímico de lodos de depuradora
La electrocoagulación es un proceso sencillo, que puede aplicarse fácilmente a las aguas residuales y permite el tratamiento de grandes volúmenes de forma eficaz y rentable. La ultrasonicación ayuda a superar el principal inconveniente de los procesos de electrocoagulación al impedir la formación de capas pasivantes de los electrodos. Las películas pasivas que se forman en la superficie de los electrodos con el paso del tiempo reducen drásticamente la eficacia de los sistemas de electrocoagulación y los ultrasonidos son un método sencillo para eliminar estas capas pasivantes de forma continua durante el funcionamiento, al tiempo que la sonicación aumenta la rotación de los sistemas de electrocoagulación. Las ondas ultrasónicas rompen los sedimentos formados en la superficie del electrodo y generan grandes cantidades de especies radicales para eliminar los contaminantes mediante la creación de puntos de alta presión dentro de la solución durante el fenómeno de cavitación. Al combinar la electrocoagulación con los ultrasonidos, debido a la creación de nuevas superficies en el electrodo por cavitación o microcorriente, la disminución del espesor de la capa de distribución se agrava al aumentar las tasas de transferencia de masa. La sonoelectrocoagulación aumenta la cantidad de formación de coagulante en comparación con la electrocoagulación, y la floculación se ve reforzada por la mezcla extrema y la oxidación por formación de radicales libres; por lo tanto, alcanzar la eficacia deseada es posible en el menor tiempo.
(Moradi et al., 2021)
Ventajas de la sonoelectroquímica y la sonoelectrocoagulación
"La sonoelectroquímica es la combinación de energía ultrasónica en un sistema electroquímico que ofrece varias ventajas, como la eliminación de burbujas de gas en la superficie del electrodo, la desgasificación de la solución, la interrupción de la capa de difusión de Nernst, la mejora del transporte de masa de especies electroactivas a través de la doble capa y la activación y limpieza de la superficie del electrodo. Estos beneficios en electroquímica conducen a la mejora de la eficiencia del proceso (eficiencia del electrodo y de la corriente), al aumento de las tasas y rendimientos electroquímicos, a la disminución de los voltajes de las celdas y de los sobrepotenciales de los electrodos, a la mejora de los materiales electrodepositados en términos de dureza, calidad, porosidad y espesor, y a la supresión del ensuciamiento del electrodo y de la desgasificación en la superficie del electrodo". (Foroughi et al., 2021)
Más información sobre los equipos sonoelectroquímicos y sus aplicaciones.
Sistemas industriales de ultrasonidos para el tratamiento de lodos de depuradora
Los sistemas de ultrasonidos de alto rendimiento de Hielscher son un caballo de batalla fiable en las plantas de tratamiento de aguas residuales y lodos de depuradora. Los sistemas de ultrasonidos de Hielscher emiten ultrasonidos de alta potencia a 20 kHz, lo que crea una cavitación acústica intensa. Los efectos de nuestro tratamiento ultrasónico de alta potencia incluyen la disrupción y desintegración celular, la alta transferencia de masa, la desinfección, la descomposición de polímeros, la liberación de enzimas y la homogeneización de los lodos. La sonicación de alta intensidad mejora la eficacia del tratamiento mediante la generación de radicales oxidativos y por el aumento de los sitios de nucleación, lo que garantiza una mejor coagulación y floculación. La generación fiable y continua de estas intensas fuerzas de cavitación ultrasónica y sus efectos permiten integrar nuestros potentes procesadores ultrasónicos para diversas aplicaciones con el fin de mejorar la obtención de energía y nutrientes a partir de los lodos de depuradora.
- Desintegración ultrasónica de lodos de depuradora
- Digestión anaerobia intensificada por ultrasonidos
- Recuperación de nutrientes valiosos (fósforo, nitrógeno, magnesio, calcio, potasio, etc.)
- Eliminación de contaminantes como metales pesados
Ofreciendo procesadores ultrasónicos con reactores de flujo continuo en varios tamaños, Hielscher Ultrasonics tiene los sistemas de tratamiento de lodos y residuos por ultrasonidos ideales para su instalación de lodos de depuradora.
El diseño modular permite instalar fácilmente varias unidades de ultrasonidos en paralelo, lo que hace posible un tratamiento fiable y eficaz de cualquier volumen.
Los sistemas ultrasónicos de alta potencia y alto rendimiento de Hielscher aumentan la eficacia y el rendimiento en el tratamiento de biomasa en lodos de depuradora.
Todos nuestros ultrasonidos disponen de limpieza in situ (CIP).
Adecuado para tratamientos exigentes: Los lodos de depuradora suelen contener materiales fibrosos con alto contenido en celulosa, difíciles de desintegrar. Hielscher Ultrasonidos’ Los procesadores ultrasónicos industriales pueden suministrar amplitudes muy elevadas. Amplitudes de hasta 200µm pueden funcionar fácilmente de forma continua en funcionamiento 24/7. Para amplitudes aún mayores, se dispone de sonotrodos ultrasónicos personalizados. Estas altas amplitudes son una forma eficaz de alterar la estructura celular de la celulosa, la lignina y las robustas paredes celulares de otros materiales. El diseño optimizado de nuestros reactores de celda de flujo garantiza patrones de flujo ideales y el tratamiento ultrasónico uniforme y eficaz de los lodos alimentados.
Trabajamos con integradores de sistemas e ingenieros de plantas de lodos de depuradora
Como fabricante y constructor de sistemas de unidades modulares ultrasónicas de alto rendimiento, Hielscher Ultrasonics colabora con integradores de sistemas. La mayoría de los operadores de plantas de tratamiento de aguas residuales y lodos de depuradora trabajan con integradores de sistemas, que cuentan con una amplia experiencia en el diseño y la automatización de este tipo de plantas de depuración. Nuestro equipo de ingenieros de diseño e ingenieros técnicos recomiendan la configuración ultrasónica óptima para el volumen de lodos objetivo, proporcionan información detallada del sistema, planos CAD, así como servicio de instalación y formación operativa. Esto permite una implementación constructiva y orientada a los objetivos de la integración de ultrasonidos de alto rendimiento en las plantas de tratamiento de aguas residuales. Póngase en contacto con nosotros si está interesado en integrar nuestros procesadores ultrasónicos para mejorar el tratamiento de lodos.
- Alta eficacia gracias a la intensa cavitación ultrasónica
- Sonicación uniforme gracias al diseño superior de la célula de flujo
- Escalado lineal a cualquier volumen / caudal
- Alta eficiencia energética / bajo coste energético
- Alta seguridad de funcionamiento
- Cumplimiento de las normas industriales comunes
- Funcionamiento 7/24 a plena carga
- No se necesitan productos químicos agresivos
- Bajo mantenimiento / sin interrupción del trabajo
- Rápido retorno de la inversión
- Integración y reequipamiento sencillos
- respetuoso con el medio ambiente
- Calidad superior: Diseñado y fabricado en Alemania
- Servicio técnico, formación y asistencia por parte de nuestro experimentado personal
- Funcionamiento seguro y sencillo
- funcionamiento 24/7
- Robustez excepcional
- Opciones de funcionamiento preestablecidas
- Ajustes fácilmente programables
- Control remoto desde el navegador
- Protocolling automático de datos
- Bajo mantenimiento / poco tiempo de inactividad por mantenimiento
- CIP (limpieza in situ)
En la siguiente tabla encontrará algunas indicaciones sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores:
Volumen del lote | Tasa de flujo | Dispositivos recomendados |
---|---|---|
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 |
Póngase en contacto con nosotros ahora para obtener más detalles sobre los sistemas de tratamiento de lodos de depuradora por ultrasonidos de Hielscher, opciones de instalación e información técnica.
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Literatura / Referencias
- Changxiu Gong, Jianguo Jiang, De’an Li (2015): Ultrasound coupled with Fenton oxidation pre-treatment of sludge to release organic carbon, nitrogen and phosphorus. Science of The Total Environment, Volume 532, 2015. 495-500.
- Nguyen, Dinh Duc; Yoon, Yong; Nguyen, Nhu; Bach, Quang-Vu; Bui, Xuan-Thanh; Chang, Soon-Woong; Sinh, Le; Guo, Wenshan; Ngo, Huu (2016): Enhanced efficiency for better wastewater sludge hydrolysis conversion through ultrasonic hydrolytic pretreatment. Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers, 71, 2016.
- More, Tanaji T.; Ghangrekar, M.M. (2010): Improving performance of microbial fuel cell with ultrasonication pre-treatment of mixed anaerobic inoculum sludge. Bioresource Technology 101(2), 2010. 562-567.
- Aryama Raychaudhuri, Manaswini Behera (2020): Comparative evaluation of methanogenesis suppression methods in microbial fuel cell during rice mill wastewater treatment. Environmental Technology & Innovation, Volume 17, 2020.
- Foroughi, Faranak; Kekedy-Nagy, Laszlo; Islam, Md Hujjatul; Lamb, Jacob; Greenlee, Lauren; Pollet, Bruno (2019): The Use of Ultrasound for the Electrochemical Synthesis of Magnesium Ammonium Phosphate Hexahydrate (Struvite). ECS Transactions. 92, 2019. 47-55.
- Foroughi, F.; Lamb, J.J.; Burheim, O.S.; Pollet, B.G. (2021): Sonochemical and Sonoelectrochemical Production of Energy Materials. Catalysts 2021, 11, 284.
- Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, nukleare Sicherheit und Verbraucherschutz: Verordnung zur Neuordnung der Klärschlammverwertung.
Información interesante
Ventajas adicionales del tratamiento de lodos de depuradora por ultrasonidos
Además de las ventajas del tratamiento por ultrasonidos de los lodos de depuradora, la aplicación de ondas ultrasónicas de alta potencia tiene efectos positivos adicionales, como la metanogénesis.
La ultrasonicación ha demostrado ser prometedora en términos de inhibición metanogénica, ya que proporciona un resultado consistente. El tratamiento con ultrasonidos podría haber mejorado las actividades enzimáticas de los exoelectógenos, así como la permeabilidad y selectividad de la membrana celular, lo que aceleró el transporte de proteínas, polisacáridos y enzimas desde las capas internas de los flóculos de lodo a las capas externas, con la consiguiente mejora de la utilización del sustrato y la generación de electricidad. (cf. Raychaudhuri y Behera, 2020)
Eficacia coulómbica
La eficiencia de Coulomb o eficiencia coulómbica suele utilizarse para describir la capacidad liberada de la batería. Se refiere a la relación entre la capacidad de descarga tras la carga completa y la capacidad de carga del mismo ciclo. Suele ser una fracción inferior a 1.
La eficiencia coulómbica (CE %) es la relación entre la capacidad de descarga (mAh/g) y la capacidad de carga (mAh/g) multiplicada por 100.

Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento de laboratorio a tamaño industrial.