Várias soluções para recuperação de fósforo de lodo de esgoto municipal

O fósforo é um mineral de recurso crítico, cujo suprimento natural está diminuindo rapidamente. Consequentemente, o governo alemão decretou por decreto que, a partir de 2029, o fósforo deve ser amplamente recuperado do lodo de esgoto. A implementação do ultrassom de potência abre várias opções para intensificar a recuperação de fósforo do lodo de esgoto municipal.

Estações de Tratamento de Lodo de Esgoto e Reciclagem de Fósforo

O fósforo é um elemento crítico, amplamente utilizado como fertilizante e matéria-prima na indústria química fina e farmacêutica. Devido à rápida redução dos recursos disponíveis, o governo alemão implementou uma lei pela qual todas as estações de tratamento de águas residuais municipais devem estabelecer medições para recuperar o fósforo do lodo de esgoto municipal. A implementação do ultrassom de alto desempenho oferece várias opções de tratamento, que aumentam significativamente a eficiência da recuperação de fósforo.

As estações de tratamento de águas residuais utilizam o ultrassom para melhorar a digestão das lamas e a recuperação de nutrientes como o fósforo.

Desintegração ultrassônica de lodo de esgoto para melhor recuperação de Phorsphorus

A irradiação de lodo de esgoto com poderosas ondas de ultrassom demonstrou claramente melhorar a desintegração da biomassa no lodo de esgoto. Numerosos estudos de pesquisa mostraram os benefícios do tratamento ultrassônico de lodo ativado de resíduos e vários sistemas de ultrassom industrial estão funcionando em estações de tratamento de águas residuais municipais na Alemanha.
O pré-tratamento ultrassônico de substratos em lodo de esgoto tem vários efeitos benéficos para os processos de digestão anaeróbica. Esses benefícios incluem a redução do tamanho das partículas, o aumento da taxa de hidrólise e a redução do tempo de retenção hidráulica.
As forças de cisalhamento cavitacionais geradas por ondas ultrassônicas de alta intensidade / baixa frequência causam a quebra da morfologia do floco do lodo e da estrutura microbiana do lodo.
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)
Um lodo de esgoto eficientemente desintegrado, ou seja, lodo sonicado, apresenta propriedades de separação significativamente melhoradas, permitindo remover frações ricas em fósforo da biomassa e frações gelatinosas, bem como da água. A cavitação ultrassônica rompe as estruturas celulares da biomassa no lodo de esgoto e facilita o fracionamento subsequente em três frações de (i) fibras ricas em celulose, (ii) um gel rico em nutrientes e (iii) um líquido facilmente fermentável. Essas três frações do lodo podem ser processadas posteriormente, por exemplo, recuperação de fósforo, remoção de metais pesados, etc.

Precipitação química úmida ultrassônica intensificada de fósforon

A ultrassonografia é uma técnica bem conhecida usada há muito tempo na química para a precipitação siciosa e eficaz de minerais, partículas e cristais. Para a recuperação de fósforo do lodo de esgoto, a sonicação é aplicada a fim de promover e acelerar a precipitação da estruvita. A estruvita (fosfato de amônio e magnésio) é um mineral fosfato com fórmula NH₄MgPO₄· 6H₂ O, que oferece uma solução simples para remover o fósforo na forma ligada do lodo residual.
Durante o processo de cristalização / precipitação da estruvita, os íons PO₄^3-NH₄⁺e Mg²⁺ são removidos da fase líquida devido à precipitação de estruvita, até que a reação atinja o equilíbrio.

Cristais de estruvita precipitados de efluentes de suínos.
(foto e estudo: ©Kim et al. 2017)

Quando a ultrassonografia é aplicada como pré-tratamento de lodo antes do processo de precipitação de estruvita, a cavitação induzida por ultrassom fornece uma mistura completa em nível molecular, fornecendo área de superfície ativa para o crescimento de cristais. Um aumento na taxa de solubilização de substâncias extracelulares e intracelulares, beneficia ainda mais a precipitação de estruvita, aumentando a biodisponibilidade de NH₄⁺ e PO₄^3- Íons. O tratamento de sonicação resulta em uma transferência de massa facilitada através da pasta, que é causada pela cavitação ultrassônica.
A sonicação também pode ser aplicada ao licor de carbonização hidrotérmica, onde o fósforo é reciclado como estruvita do licor de carbonização hidrotermal por meio de extração e precipitação assistida por ultrassom.
Leia mais sobre precipitação de estruvita em larga escala para recuperação de fósforo de lodo de esgoto!

Sono-Fenton para liberação de fósforo do lodo de esgoto

O estudo de Gong et al. (2015) demonstrou a eficiência de um pré-tratamento combinado de ultrassom-Fenton (também conhecido como sono-Fenton) para desintegração de lodo de esgoto. A aplicação do tratamento ultrassom-Fenton aumentou significativamente a liberação de carbono, nitrogênio e fósforo. O tratamento sono-Fenton aumentou o nitrogênio (N) e o fósforo (P) totais em 1,7 e 2,2 vezes, respectivamente, quando comparado ao tratamento Fenton sozinho. Após o tratamento sono-Fenton, o lodo apresentou um tamanho de partícula consideravelmente mais fino e microestrutura mais solta com base na microscopia eletrônica de varredura. Usando ressonância de spin de elétrons, a maior intensidade de sinal OH• aumentou de 568,7 pelo tratamento de Fenton para 1106,3 após o tratamento sono-Fenton. Isso demonstrou que o tratamento sono-Fenton induz a desintegração do lodo e melhora significativamente a liberação de carbono orgânico, nitrogênio e fósforo.

Células de combustível microbianas intensificadas por ultrassom

O pré-tratamento ultrassônico do lodo de esgoto promove a solubilização de vários compostos orgânicos da matriz do lodo, o que subsequentemente acelera a eletrohidrogênese microbiana.
More e Ghangrekar (2010) contribuem com os efeitos benéficos do pré-tratamento de sonicação em células de combustível microbianas para atividades enzimáticas aprimoradas e a disponibilidade de proteínas, polissacarídeos e enzimas extracelulares, que são liberados das camadas internas de flocos de lodo para as camadas externas por sonoporação ultrassônica e ruptura celular, resultando em maior eficiência de utilização do substrato. Para melhorar a captação de eletricidade das células de combustível microbianas, é necessária uma melhoria na capacidade de transferência de elétrons das bactérias para uma substância sólida extracelular. Essa transferência extracelular de elétrons pode ocorrer tanto em contato direto entre a superfície celular e a superfície sólida quanto indiretamente por meio dos chamados mediadores exógenos e endógenos. Para transferência direta de elétrons entre bactérias e superfície do eletrodo, o elétron deve atingir a membrana externa da célula. Esse fenômeno pode ter ocorrido devido ao pré-tratamento de ultrassom dado ao inóculo quando a energia específica fornecida era adequada; portanto, favorecendo uma maior eficiência coulombiana.
Um processo de eletrólise microbiana intensificada por ultrassom pode ser combinado com processos de fermentação subsequentes para tratamento de lodo.

Tratamento de lodo de esgoto sonoeletroquímico

A eletrocoagulação é um processo simples, que pode ser facilmente aplicado às águas residuais e permite o tratamento de grandes volumes de forma eficiente e econômica. A ultrassonografia ajuda a superar a principal desvantagem dos processos de eletrocoagulação, evitando a formação de camadas passivantes dos eletrodos. Os filmes passivos que se formam na superfície do eletrodo ao longo do tempo reduzem drasticamente a eficiência dos sistemas de eletrocoagulação e o ultrassom é um método fácil de remover essas camadas passivantes continuamente durante a operação, enquanto ao mesmo tempo a sonicação aumenta a rotatividade dos sistemas de eletrocoagulação. As ondas ultrassônicas quebram os sedimentos formados na superfície do eletrodo e geram grandes quantidades de espécies radicais para remover poluentes, criando pontos de alta pressão dentro da solução durante o fenômeno de cavitação. Ao combinar eletrocoagulação com ultrassom, devido à criação de novas superfícies no eletrodo por cavitação ou microfluxo, a diminuição da espessura da camada de distribuição é exacerbada pelo aumento das taxas de transferência de massa. A sonoeletrocoagulação aumenta a quantidade de formação de coagulante em comparação com a eletrocoagulação, e a floculação é aumentada pela mistura extrema e oxidação pela formação de radicais livres; portanto, é possível alcançar a eficiência desejada no menor tempo possível.
(Moradi et al., 2021)

As vantagens da sonoeletroquímica e da sonoeletrocoagulação

"A sonoeletroquímica é a combinação de energia ultrassônica em um sistema eletroquímico que oferece várias vantagens, incluindo remoção de bolhas de gás na superfície do eletrodo, desgaseificação da solução, ruptura da camada de difusão de Nernst, aumento do transporte de massa de espécies eletroativas através da camada dupla e ativação e limpeza da superfície do eletrodo. Esses benefícios em eletroquímica levam a melhores eficiências de processo (eficiências de eletrodo e corrente), aumento das taxas e rendimentos eletroquímicos, diminuição das tensões celulares e sobrepotenciais de eletrodos, materiais eletrodepositados aprimorados em termos de dureza, qualidade, porosidade e espessura, e a supressão de incrustação e desgaseificação do eletrodo na superfície do eletrodo. (Foroughi et al., 2021)
Leia mais sobre equipamentos sonoeletroquímicos e suas aplicações!

Sistemas ultrassônicos industriais para tratamento de lodo de esgoto

Os sistemas de alto desempenho Hielscher Ultrasonics são um cavalo de batalha confiável em estações de tratamento de águas residuais e lodo de esgoto. Os sistemas ultrassônicos Hielscher fornecem ultrassom de alta potência a 20kHz, o que cria intensa cavitação acústica. Os efeitos do nosso tratamento ultrassônico de alta potência incluem ruptura e desintegração celular, alta transferência de massa, desinfecção, decomposição de polímeros, liberação de enzimas e homogeneização do lodo. A sonicação de alta intensidade melhora a eficiência do tratamento por meio da geração de radicais oxidativos e pelo aumento dos sítios de nucleação, garantindo melhor coagulação e floculação. A geração confiável e contínua dessas intensas forças de cavitação ultrassônica e seus efeitos permitem integrar nossos poderosos processadores ultrassônicos para várias aplicações, a fim de melhorar a coleta de energia e nutrientes do lodo de esgoto.

• Desintegração ultrassônica de lodo de esgoto
• Digestão anaeróbica intensificada por ultrassom
• Recuperação de nutrientes valiosos (fósforo, nitrogênio, magnésio, cálcio, potássio, etc.)
• Remoção de contaminantes, como metais pesados

Oferecendo processadores ultrassônicos com reatores de fluxo contínuo em vários tamanhos, a Hielscher Ultrasonics tem os sistemas ultrassônicos ideais de tratamento de resíduos e lodo para sua instalação de lodo de esgoto.
O design modular permite a instalação simples de várias unidades ultrassônicas em paralelo, o que torna possível um tratamento confiável e eficiente de qualquer volume.
Os sistemas ultrassônicos de alta potência / alto rendimento da Hielscher aumentam a eficiência e o rendimento no tratamento de biomassa em lodo de esgoto.
Todos os nossos ultrassônicos possuem limpeza no local (CIP).
Adequado para tratamentos exigentes: O lodo de esgoto geralmente contém materiais fibrosos com alto teor de celulose, que são difíceis de desintegrar. Ultrassom de Hielscher’ Os processadores ultrassônicos industriais podem fornecer amplitudes muito altas. Amplitudes de até 200 μm podem ser facilmente executadas continuamente em operação 24 horas por dia, 7 dias por semana. Para amplitudes ainda maiores, estão disponíveis sonotrodos ultrassônicos personalizados. Essas altas amplitudes são uma maneira eficaz de interromper a estrutura celular de celuloses, lignina e paredes celulares robustas de outros materiais. O design otimizado de nossos reatores de célula de fluxo garante padrões de fluxo ideais e o tratamento ultrassônico uniforme e eficiente do lodo alimentado.

Trabalhamos com integradores de sistemas e engenheiros de estações de tratamento de lamas de depuração

Como fabricante e construtor de sistemas de unidades modulares ultrassônicas de alto desempenho, a Hielscher Ultrasonics trabalha em conjunto com integradores de sistemas. A maioria dos operadores de estações de tratamento de águas residuais e lodo de esgoto trabalha com integradores de sistemas, que são bem experientes no projeto e automação de tais estações de purificação. Nossa equipe de engenheiros de projeto e engenheiros técnicos recomenda a configuração ultrassônica ideal para o volume de lodo desejado, fornece informações detalhadas do sistema, desenhos CAD, bem como serviço de instalação e treinamento operacional. Isso permite uma implementação construtiva e orientada para objetivos da integração do ultrassom de alto desempenho em estações de tratamento de esgoto. Entre em contato conosco se estiver interessado em integrar nossos processadores ultrassônicos para melhorar o tratamento de lodo!

A tabela abaixo fornece uma indicação da capacidade aproximada de processamento de nossos ultrassônicos:

Entre em contato conosco agora para obter mais detalhes sobre os sistemas ultrassônicos de tratamento de lodo de esgoto Hielscher, opções de instalação e informações técnicas!