Diversas soluciones para la recuperación del fósforo de los lodos de depuradora municipales

El fósforo es un mineral de recurso crítico, cuyo suministro natural está disminuyendo 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 abre varias opciones para intensificar la recuperación de fósforo de los lodos de depuradora municipales.

Plantas de tratamiento de lodos de depuradora y reciclaje de fósforo

Los lodos de depuradora son ricos en fósforo. Existen varias opciones de tratamiento por ultrasonidos para intensificar la recuperación del fósforo de los lodos de depuradora.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 puesto en marcha 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 varias opciones de tratamiento, que aumentan la eficacia de la recuperación de fósforo de forma significativa.

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Sistema de ultrasonidos de alta potencia para el tratamiento en línea de aguas residuales y lodos de depuradora. La sonicación promueve la desintegración de la biomasa para una mejor digestión de los lodos anaeróbicos y la recuperación de nutrientes (por ejemplo, fósforo, nitrógeno, magnesio, potasio, calcio, etc.)

El tratamiento de los lodos de depuradora se beneficia en gran medida de la aplicación de los ultrasonidos: La sonicación mejora la desintegración y la recuperación de nutrientes (por ejemplo, el fósforo)

Las plantas de tratamiento de aguas residuales y lodos de depuradora utilizan ultrasonidos para mejorar la digestión de los lodos y la recuperación de nutrientes (por ejemplo, el fósforo)

Las plantas de aguas residuales utilizan los ultrasonidos para mejorar la digestión de los lodos y recuperar nutrientes como el fósforo.

Desintegración de lodos de depuradora por ultrasonidos para mejorar la recuperación de fósforo

Se ha demostrado claramente que la irradiación de los lodos de depuradora con potentes ondas de ultrasonidos mejora la desintegración de la biomasa de los lodos de depuradora. Numerosos estudios de investigación han demostrado los beneficios del tratamiento de lodos activados por ultrasonidos y varios sistemas industriales de ultrasonidos están funcionando 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 anaeróbica. Estos beneficios incluyen la reducción del tamaño de las partículas, el aumento de la tasa de hidrólisis y el acortamiento del tiempo de retención hidráulica.
Las fuerzas de cizallamiento cavitacional generadas por las ondas ultrasónicas de alta intensidad/baja frecuencia provocan la ruptura de la morfología de los flóculos de lodos y de la estructura microbiana de los mismos.
El equipo de investigación de Nguyen demostró en sus estudios "que la aplicación de ultrasonidos es muy eficaz para reducir el tamaño de las partículas de la biomasa, logrando una reducción a un tamaño medio de partícula de >78,78% proporcional a la duración e intensidad de la exposición a la irradiación ultrasónica". Esto indicó que las partículas de lodo se desintegraron y el tamaño de las partículas de lodo disminuyó, basándose en una relación inversa entre el tiempo de sonicación y el tamaño de las partículas de lodo. La aplicación fue muy eficaz, a pesar de que las observaciones del flóculo de lodo antes del tratamiento revelaron que los flóculos de lodo eran densos y muy compactos, compuestos por muchos subcompartimentos con núcleos compactos, grupos de células, colonias bacterianas, protozoos y bacterias filamentosas, entre otros factores. El análisis del efluente muestra que el proceso ultrasónico desintegró significativamente la integridad estructural de los flóculos de lodo de todos los tamaños. Los trozos de flóculos se redujeron a tan solo ≤6,5 μm en condiciones óptimas de tratamiento, y se disolvieron en el lodo después de 5-10 min de tratamiento ultrasónico con una frecuencia de ultrasonido baja de 20 kHz." (Nguyen et al., 2015)
Un lodo de depuradora eficazmente desintegrado, es decir, un lodo sonicado, muestra unas propiedades de separación significativamente mejoradas que permiten eliminar las fracciones ricas en fósforo de la biomasa y las fracciones gelificadas, así como el agua. La cavitación ultrasónica desbarata 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 pueden ser procesadas posteriormente, por ejemplo, para la recuperación de fósforo, la eliminación de metales pesados, etc.

Ventajas del tratamiento de lodos de depuradora por ultrasonidos

  • Mejora de la digestión anaeróbica
  • Menor tamaño de las partículas de los trozos de flóculos
  • Mejora de la recuperación de fósforo, minerales y metales (pesados)
  • Alternativa sin productos químicos a la adsorción convencional

Precipitación química húmeda intensificada por ultrasonidos del fósforo

La ultrasonicación es una técnica bien conocida y utilizada desde hace mucho tiempo en química para la precipitación segura y eficaz de minerales, partículas y cristales. Para la recuperación del fósforo de los lodos de depuradora, la sonicación se aplica para promover y acelerar la precipitación de la estruvita. La estruvita (fosfato de magnesio y amonio) es un mineral de fosfato con 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.

Los cristales de estruvita pueden precipitarse a partir de los lodos de depuradora. La sonicación mejora el proceso de recuperación. La sonicación favorece el proceso de precipitación y hace que la recuperación del fósforo ligado a la estruvita sea mucho más eficiente.

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 profunda 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 beneficia aún más la precipitación de la estruvita al aumentar la biodisponibilidad del NH4+ y PO43- iones. El tratamiento de sonicación da lugar a una transferencia de masa facilitada a través del lodo, que es causada por la cavitación ultrasónica.
La sonicación también puede aplicarse al licor de carbonización hidrotermal, donde el fósforo se recicla como estruvita del licor de carbonización hidrotermal mediante la extracción y precipitación asistida por ultrasonidos.
Más información sobre la precipitación de estruvita a gran escala para la recuperación de fósforo de los lodos de depuradora

Célula de flujo de ultrasonidos con 4x 4kW de potencia-ultrasonidos para el tratamiento de lodos de depuradora, como la mejora de la desintegración y la recuperación de fósforo.

Sistema industrial de ultrasonidos para el tratamiento de lodos de depuradora a gran escala en modo de flujo continuo.

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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 de ultrasonidos-Fenton (también conocido como sono-Fenton) para la desintegración de lodos de depuradora. La aplicación del tratamiento de ultrasonido-Fenton aumentó significativamente la liberación de carbono, nitrógeno y fósforo. El tratamiento sono-Fenton aumentó el nitrógeno (N) y el fósforo (P) totales 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.Utilizando la 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 la liberación de carbono orgánico, nitrógeno y fósforo de forma significativa.

Pilas de combustible microbianas intensificadas por ultrasonidos

El pretratamiento por ultrasonidos de los lodos de depuradora favorece la solubilización de diversos compuestos orgánicos de la matriz de los lodos, 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 da lugar a 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 de la célula y la superficie sólida o indirectamente a través de los llamados mediadores exógenos y endógenos. Para la 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 de ultrasonidos aplicado al inóculo cuando la energía específica suministrada era adecuada, favoreciendo así una mayor eficiencia culombiana.
Un proceso de electrólisis microbiana intensificado por ultrasonidos podría combinarse con procesos de fermentación posteriores para el tratamiento de lodos.

Tratamiento de lodos de depuradora por vía sono-electroquímica

Equipo sonoelectroquímico para la recuperación de fósforo a gran escala de los lodos de depuradoraLa 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 evitar la formación de capas pasivas 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 fácil para eliminar estas capas pasivas de forma continua durante el funcionamiento, mientras que al mismo tiempo 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 la cavitación o el microchorro, la disminución del espesor de la capa de distribución se agrava al aumentar las tasas de transferencia de masa. La sono-electrocoagulación 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 la formación de radicales libres; por lo tanto, es posible alcanzar la eficacia deseada en el menor tiempo posible.
(Moradi et al., 2021)

Las 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 las especies electroactivas a través de la doble capa y la activación y limpieza de la superficie del electrodo. Estos beneficios en la electroquímica conducen a la mejora de las eficiencias del proceso (eficiencias del electrodo y de la corriente), al aumento de las tasas y los 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 grosor, y a la supresión del ensuciamiento y la desgasificación de los electrodos en su superficie". (Foroughi et al., 2021)
Más información sobre los equipos sonoelectroquímicos y sus aplicaciones.

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Sistemas industriales de ultrasonidos para el tratamiento de lodos de depuradora

Los sistemas de alto rendimiento de Hielscher Ultrasonics son un caballo de batalla fiable en las plantas de tratamiento de aguas residuales y lodos. Los sistemas de ultrasonidos de Hielscher suministran ultrasonidos de alta potencia a 20kHz, que crean una intensa cavitación acústica. Los efectos de nuestro tratamiento por ultrasonidos 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 a través de la generación de radicales oxidativos y por el aumento de los sitios de nucleación, asegurando 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 de los lodos de depuradora.

  • Desintegración por ultrasonidos de los lodos de depuradora
  • Digestión anaeróbica intensificada por ultrasonidos
  • Recuperación de nutrientes valiosos (fósforo, nitrógeno, magnesio, calcio, potasio, etc.)
  • Eliminación de contaminantes como los metales pesados

Ofreciendo procesadores ultrasónicos con reactores de flujo en varios tamaños, Hielscher Ultrasonics tiene los sistemas de tratamiento de residuos y lodos por ultrasonidos ideales para su instalación de lodos de depuradora.
El diseño modular permite la sencilla instalación de varias unidades de ultrasonidos en paralelo, lo que hace posible un tratamiento fiable y eficaz de cualquier volumen.
Los sistemas de ultrasonidos de alta potencia/alto rendimiento de Hielscher aumentan la eficacia y el rendimiento en el tratamiento de la biomasa en los lodos de depuradora.
Sonda ultrasónica de alta intensidad Cascatrode™️ en el reactor: optimizada para lograr efectos de sonicación superioresTodos 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, que son difíciles de desintegrar. Hielscher Ultrasonidos’ Los procesadores industriales de ultrasonidos pueden ofrecer amplitudes muy elevadas. Las amplitudes de hasta 200µm pueden funcionar fácilmente de forma continua en funcionamiento 24/7. Para amplitudes aún mayores, hay disponibles sonotrodos ultrasónicos personalizados. Estas altas amplitudes son una forma eficaz de alterar la estructura celular de las celulosas, la lignina y las robustas paredes celulares de otros materiales. El diseño optimizado de nuestros reactores de celdas 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 depuración

Como fabricante y constructor de sistemas de unidades modulares de ultrasonidos 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 tienen una gran experiencia en el diseño y la automatización de dichas plantas de depuración. Nuestro equipo de ingenieros de diseño e ingenieros técnicos recomiendan la configuración óptima de los ultrasonidos para el volumen de lodos deseado, 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 los ultrasonidos de alto rendimiento en las plantas de tratamiento de aguas residuales. Póngase en contacto con nosotros si está interesado en integrar nuestros procesadores de ultrasonidos para mejorar el tratamiento de los lodos.

Ventajas de los sistemas de tratamiento de lodos de depuradora por ultrasonidos de Hielscher

  • Alta eficacia gracias a la intensa cavitación por ultrasonidos
  • 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
  • RoI rápido
  • Integración y retroinstalación sencillas
  • Amigable con el medio ambiente
Calidad, fiabilidad & seguridad

  • Calidad superior: Diseñado y construido en Alemania
  • Servicio técnico, formación y apoyo de nuestro experimentado personal
  • Funcionamiento fácil y seguro
  • funcionamiento 24/7
  • Una 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 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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Los homogeneizadores de alto cizallamiento por ultrasonidos se utilizan en el laboratorio, en la mesa de trabajo, en los procesos piloto y en la industria.

Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento para aplicaciones de mezcla, dispersión, emulsificación y extracción a escala de laboratorio, piloto e industrial.



Literatura / Referencias

Información interesante

Ventajas adicionales del tratamiento de lodos de depuradora por ultrasonidos

Además de las ventajas presentadas anteriormente del tratamiento por ultrasonidos de los lodos de depuradora municipales, la aplicación de ondas ultrasónicas de alta potencia muestra 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 exoelectrogenos, 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, dando como resultado una mejor utilización del sustrato y la generación de electricidad. (cf. Raychaudhuri y Behera, 2020)

Eficiencia culombiana

La eficiencia de Coulomb o eficiencia de Coulomb se suele utilizar 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 culombiana (CE %) es la relación entre la capacidad de descarga (mAh/g) y la capacidad de carga (mAh/g) multiplicada por 100.


Ultrasonidos de alto rendimiento La gama de productos de Hielscher cubre todo el espectro, desde el ultrasonido compacto de laboratorio, pasando por las unidades de sobremesa, hasta los sistemas de ultrasonidos totalmente industriales.

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