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

El fósforo es un recurso mineral crítico cuyas reservas naturales están disminuyendo rápidamente. Por ello, el Gobierno alemán decretó que, a partir de 2029, deberá recuperarse gran parte del fósforo de los lodos de depuradora. La aplicación de ultrasonidos de potencia abre diversas opciones para intensificar la recuperación de fósforo de los lodos de depuradora municipales.

Plantas de tratamiento de lodos de depuradora y reciclaje de fósforo

El fósforo es un elemento crítico, ampliamente utilizado como fertilizante y como materia prima en las industrias de química fina y farmacéutica. Debido a la rápida disminución de los recursos disponibles, el Gobierno alemán ha implantado una ley que obliga a todas las plantas municipales de tratamiento de aguas residuales a establecer medidas para recuperar el fósforo de los lodos de depuradora municipales. La aplicación de ultrasonidos de alto rendimiento ofrece diversas opciones de tratamiento que aumentan significativamente la eficiencia de la recuperación de fósforo.

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

Desintegración ultrasónica de lodos de depuradora para mejorar la recuperación de fósforo

Se ha demostrado claramente que la irradiación de lodos de depuradora con ondas ultrasónicas potentes mejora la desintegración de la biomasa presente en ellos. Numerosos estudios de investigación han mostrado los beneficios del tratamiento ultrasónico de los lodos activados excedentes, y diversos sistemas industriales de ultrasonidos están en funcionamiento en plantas municipales de tratamiento de aguas residuales en Alemania.
El pretratamiento ultrasónico de los sustratos presentes en los lodos de depuradora tiene varios efectos beneficiosos para los procesos de digestión anaerobia. Entre estos beneficios se encuentran 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 por cavitación generadas por ondas ultrasónicas de alta intensidad / baja frecuencia provocan la ruptura de la estructura morfológica de los flóculos y de la estructura microbiana de los lodos.
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 biomasa, logrando una reducción hasta un tamaño medio de partícula de >78,78%, proporcional a la duración y a la intensidad de la exposición a la irradiación ultrasónica. Esto indicó que las partículas de lodo se desintegraban y que su tamaño disminuía, con una relación inversa entre el tiempo de sonicación y el tamaño de las partículas de los flóculos. La aplicación fue muy eficaz, pese a que las observaciones de los flóculos antes del tratamiento revelaron que eran densos y muy compactos, compuestos por numerosos subcompartimentos con núcleos compactos, agrupaciones celulares, colonias bacterianas, protozoos y bacterias filamentosas, entre otros elementos. El análisis del efluente muestra que el proceso ultrasónico desintegró significativamente la integridad estructural de los flóculos de lodo de todos los tamaños. Los fragmentos de flóculos se redujeron hasta tamaños de tan solo ≤6,5 μm en condiciones óptimas de tratamiento y se disolvieron en la suspensión de lodos tras 5–10 min de tratamiento ultrasónico con una baja frecuencia ultrasónica de 20 kHz». (Nguyen et al., 2015)
Los lodos de depuradora desintegrados eficazmente, es decir, los lodos sonicados, presentan propiedades de separación significativamente mejores, lo que permite separar fracciones ricas en fósforo de la biomasa, las fracciones de tipo gel y el agua. La cavitación ultrasónica rompe las estructuras celulares de la biomasa presente en los lodos de depuradora y facilita su posterior fraccionamiento en tres fracciones: (i) fibras ricas en celulosa, (ii) un gel rico en nutrientes y (iii) un líquido fácilmente fermentable. Estas tres fracciones de los lodos pueden someterse a tratamientos posteriores, como la recuperación de fósforo, la eliminación de metales pesados, etc.

Precipitación de fósforo por vía química húmeda intensificada mediante ultrasonidos

La ultrasonicación es una técnica bien conocida que se utiliza desde hace mucho tiempo en química para precipitar minerales, partículas y cristales de forma eficaz y con buenos resultados. Para recuperar fósforo de los lodos de depuradora, se aplica sonicación con el fin de favorecer y acelerar la precipitación de estruvita. La estruvita (fosfato de magnesio y amonio) es un mineral de fosfato con la 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 estruvita, los iones PO₄^3-, 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 ultrasonicación como pretratamiento de los lodos antes del proceso de precipitación de estruvita, la cavitación inducida por los ultrasonidos proporciona una mezcla exhaustiva a escala molecular y una superficie activa para el crecimiento de los cristales. El aumento de la velocidad de solubilización de las sustancias extracelulares e intracelulares también favorece la precipitación de estruvita al aumentar la biodisponibilidad de los iones NH₄⁺ y PO₄^3- . El tratamiento por sonicación facilita la transferencia de masa a través de la suspensión gracias a la cavitación ultrasónica.
La sonicación también puede aplicarse al licor de carbonización hidrotermal, del que se recicla el fósforo en forma de estruvita mediante extracción y precipitación asistidas por ultrasonidos.
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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 eficiencia de un pretratamiento combinado de ultrasonidos–Fenton (también conocido como sono-Fenton) para la desintegración de lodos de depuradora. La aplicación del tratamiento de ultrasonidos–Fenton aumentó significativamente la liberación de carbono, nitrógeno y fósforo. El tratamiento sono-Fenton aumentó el nitrógeno (N) y el fósforo (P) totales en factores de 1,7 y 2,2, respectivamente, en comparación con el tratamiento Fenton por sí solo. Tras el tratamiento sono-Fenton, los lodos presentaron un tamaño de partícula considerablemente menor y una microestructura menos compacta, según las observaciones mediante microscopía electrónica de barrido. Mediante resonancia de espín electrónico, la intensidad máxima de la señal de OH• aumentó de 568,7 con el tratamiento Fenton a 1106,3 después del 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.

Celdas de combustible microbianas intensificadas mediante ultrasonidos

El pretratamiento ultrasónico 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 and Ghangrekar (2010) atribuyen los efectos beneficiosos del pretratamiento por sonicación sobre las celdas de combustible microbianas al aumento de la actividad enzimática y a la disponibilidad de proteínas, polisacáridos y enzimas extracelulares, que se liberan desde las capas internas de los flóculos de lodo hacia las capas externas mediante sonoporación ultrasónica y ruptura celular, lo que mejora la eficiencia de utilización del sustrato. Para mejorar la obtención de electricidad de las celdas de combustible microbianas, es necesario mejorar la capacidad de las bacterias para transferir electrones a una sustancia sólida extracelular. Esta transferencia extracelular de electrones puede producirse por 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 por ultrasonicación aplicado al inóculo cuando la energía específica suministrada fue adecuada, favoreciendo así una mayor eficiencia coulómbica.
Un proceso de electrólisis microbiana intensificado mediante ultrasonidos podría combinarse con procesos posteriores de fermentación para el tratamiento de los lodos.

Tratamiento sonoelectroquímico de lodos de depuradora

La electrocoagulación es un proceso sencillo que puede aplicarse fácilmente a las aguas residuales y permite tratar grandes volúmenes de forma eficiente y rentable. La ultrasonicación ayuda a superar el principal inconveniente de los procesos de electrocoagulación al evitar la formación de capas pasivantes en los electrodos. Las películas pasivas que se forman con el tiempo sobre la superficie de los electrodos reducen drásticamente la eficiencia de los sistemas de electrocoagulación, y los ultrasonidos son un método sencillo para eliminar estas capas pasivantes de forma continua durante el funcionamiento, mientras que la sonicación aumenta al mismo tiempo la capacidad de procesamiento de los sistemas de electrocoagulación. Las ondas ultrasónicas descomponen los sedimentos formados sobre la superficie de los electrodos y generan grandes cantidades de especies radicalarias para eliminar contaminantes mediante la creación de puntos de alta presión dentro de la solución durante el fenómeno de cavitación. Al combinar la electrocoagulación con ultrasonidos, la creación de nuevas superficies en el electrodo por cavitación o microcorrientes intensifica la reducción del espesor de la capa de distribución al aumentar las velocidades de transferencia de masa. La sonoelectrocoagulación aumenta la cantidad de coagulante formado en comparación con la electrocoagulación, y la floculación se intensifica mediante una mezcla extrema y la oxidación derivada de la formación de radicales libres; por ello, es posible alcanzar la eficiencia deseada en el menor tiempo posible.
(Moradi et al., 2021)

Ventajas de la sonoelectroquímica y la sonoelectrocoagulación

«La sonoelectroquímica consiste en incorporar energía ultrasónica a un sistema electroquímico y ofrece diversas ventajas, como la eliminación de burbujas de gas de la superficie del electrodo, la desgasificación de la solución, la ruptura 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 electroquímica mejoran la eficiencia de los procesos (eficiencia de los electrodos y de la corriente), aumentan las velocidades y los rendimientos electroquímicos, reducen las tensiones de las celdas y los sobrepotenciales de los electrodos, mejoran los materiales electrodepositados en cuanto a dureza, calidad, porosidad y espesor, y suprimen el ensuciamiento de los electrodos y la desgasificación en la superficie del electrodo». (Foroughi et al., 2021)
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Sistemas ultrasónicos industriales para el tratamiento de lodos de depuradora

Los sistemas de alto rendimiento de Hielscher Ultrasonics son equipos de trabajo fiables en las plantas de tratamiento de aguas residuales y lodos de depuradora. Los sistemas ultrasónicos de Hielscher suministran ultrasonidos de alta potencia a 20 kHz, que generan una intensa cavitación acústica. Los efectos de nuestro tratamiento ultrasónico de alta potencia incluyen ruptura celular y desintegración, elevada transferencia de masa, desinfección, descomposición de polímeros, liberación de enzimas y homogeneización de los lodos. La sonicación de alta intensidad mejora la eficiencia del tratamiento mediante la generación de radicales oxidantes y 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 permite integrar nuestros potentes procesadores ultrasónicos en diversas aplicaciones para mejorar la recuperación de energía y nutrientes de los lodos de depuradora.

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

Con una oferta de procesadores ultrasónicos equipados con reactores de flujo continuo de diversos tamaños, Hielscher Ultrasonics dispone de los sistemas ultrasónicos de tratamiento de aguas residuales y lodos ideales para su planta de tratamiento de lodos de depuradora.
El diseño modular permite instalar fácilmente varias unidades ultrasónicas en paralelo, lo que posibilita el tratamiento fiable y eficiente de cualquier volumen.
Los sistemas ultrasónicos de alta potencia / alta capacidad de procesamiento de Hielscher aumentan la eficiencia y el rendimiento del tratamiento de la biomasa presente en los lodos de depuradora.
Todos nuestros ultrasonicadores incorporan limpieza in situ (CIP).
Adecuados para tratamientos exigentes: los lodos de depuradora suelen contener materiales fibrosos con un alto contenido de celulosa, difíciles de desintegrar. Los procesadores ultrasónicos industriales de Hielscher Ultrasonics pueden proporcionar amplitudes muy elevadas. Las amplitudes de hasta 200 µm pueden mantenerse fácilmente de forma continua en funcionamiento 24/7. Para amplitudes aún mayores, se ofrecen sonotrodos ultrasónicos personalizados. Estas amplitudes tan elevadas son un medio eficaz para romper la estructura celular de las celulosas, la lignina y las paredes celulares resistentes de otros materiales. El diseño optimizado de nuestros reactores con celda de flujo garantiza patrones de flujo ideales y un tratamiento ultrasónico uniforme y eficiente de los lodos alimentados.

Trabajamos con integradores de sistemas e ingenieros de plantas de tratamiento de lodos de depuradora

Como fabricante y constructor de sistemas de unidades ultrasónicas modulares 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 recomienda la configuración ultrasónica óptima para el volumen de lodos previsto y proporciona información detallada del sistema, planos CAD, servicio de instalación y formación para el manejo. Esto permite llevar a cabo de forma constructiva y orientada a los objetivos la integración de ultrasonidos de alto rendimiento en las plantas de depuración de aguas residuales. ¡Póngase en contacto con nosotros si le interesa integrar nuestros procesadores ultrasónicos para mejorar el tratamiento de los lodos!

La siguiente tabla ofrece una indicación de la capacidad aproximada de procesamiento de nuestros ultrasonicadores:

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