Várias soluções para a recuperação de fósforo das lamas de depuração municipais

O fósforo é um recurso mineral crítico, cujo fornecimento natural está a diminuir rapidamente. Consequentemente, o governo alemão decretou por decreto que, a partir de 2029, o fósforo deve ser largamente recuperado das lamas de depuração. A implementação do ultrassom de energia abre várias opções para intensificar a recuperação de fósforo das lamas de depuração municipais.

Estações de tratamento de lamas de depuração 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 diminuição dos recursos disponíveis, o governo alemão implementou uma lei segundo a qual todas as estações de tratamento de águas residuais municipais devem estabelecer medidas para recuperar o fósforo das lamas de esgotos municipais. A implementação de ultra-sons 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 ultra-sons para melhorar a digestão das lamas e a recuperação de nutrientes como o fósforo.

Desintegração ultra-sónica das lamas de depuração para uma melhor recuperação do fósforo

A irradiação das lamas de depuração com potentes ondas de ultra-sons demonstrou claramente que melhora a desintegração da biomassa nas lamas de depuração. Numerosos estudos de investigação demonstraram os benefícios do tratamento ultrassónico de lamas activadas de resíduos e vários sistemas industriais de ultra-sons estão a funcionar em estações municipais de tratamento de águas residuais na Alemanha.
O pré-tratamento ultrassónico de substratos em lamas de depuração tem vários efeitos benéficos para os processos de digestão anaeróbia. Estes 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 de ultra-sons de alta intensidade/baixa frequência provocam a rutura da morfologia dos flocos de lamas e da estrutura microbiana das lamas.
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)
Uma lama de depuração eficientemente desintegrada, ou seja, uma lama sonicada, apresenta propriedades de separação significativamente melhoradas, permitindo a remoção de fracções ricas em fósforo da biomassa e de fracções semelhantes a gel, bem como de água. A cavitação ultra-sónica perturba as estruturas celulares da biomassa das lamas de depuração e facilita o subsequente fracionamento em três fracções: (i) fibras ricas em celulose, (ii) um gel rico em nutrientes e (iii) um líquido facilmente fermentável. Estas três fracções das lamas podem ser processadas posteriormente, por exemplo, recuperação de fósforo, remoção de metais pesados, etc.

Precipitação química húmida intensificada por ultra-sons de fósforo

A ultra-sons é uma técnica bem conhecida e utilizada desde há muito tempo em química para a precipitação eficaz e segura de minerais, partículas e cristais. Para a recuperação de fósforo de lamas de depuração, a ultra-sons é aplicada para promover e acelerar a precipitação de estruvite. A estruvite (fosfato de magnésio e amónio) é um mineral fosfatado com a fórmula NH₄MgPO₄-6H₂ O, que oferece uma solução simples para remover o fósforo em forma ligada das lamas residuais.
Durante o processo de cristalização/precipitação da estruvite, os iões PO₄^3-, NH₄⁺e Mg²⁺ são removidos da fase líquida devido à precipitação de estruvite, até que a reação atinja o equilíbrio.

Cristais de estruvite precipitados a partir de efluentes de suínos.
(imagem e estudo: ©Kim et al. 2017)

Quando a ultra-sons é aplicada como pré-tratamento de lamas antes do processo de precipitação de estruvite, a cavitação induzida por ultra-sons proporciona uma mistura completa a nível molecular, proporcionando uma área de superfície ativa para o crescimento de cristais. Um aumento da taxa de solubilização de substâncias extracelulares e intracelulares beneficia ainda mais a precipitação de estruvite, aumentando a biodisponibilidade de NH₄⁺ e PO₄^3- iões. O tratamento por ultra-sons resulta numa transferência de massa facilitada através da lama, que é causada pela cavitação ultra-sónica.
A sonicação pode também ser aplicada ao licor de carbonização hidrotérmica, em que o fósforo é reciclado como estruvite a partir do licor de carbonização hidrotérmica através de extração e precipitação assistida por ultra-sons.
Leia mais sobre a precipitação de estruvite em grande escala para a recuperação de fósforo das lamas de depuração!

Sono-Fenton para libertação de fósforo de lamas de depuração

O estudo de Gong et al. (2015) demonstrou a eficiência de um pré-tratamento combinado de ultrassom-Fenton (também conhecido como sono-Fenton) para a desintegração de lamas de esgoto. A aplicação do tratamento ultrassom-Fenton aumentou significativamente a liberação de carbono, nitrogênio e fósforo. O tratamento sono-Fenton aumentou o azoto total (N) e o fósforo (P) em 1,7 e 2,2 vezes, respetivamente, quando comparado com o tratamento Fenton isolado. Após o tratamento com sonofenton, as lamas apresentaram um tamanho de partícula consideravelmente mais fino e uma microestrutura mais solta, com base na microscopia eletrónica de varrimento. Utilizando a ressonância de spin eletrónico, a intensidade mais elevada do sinal OH- aumentou de 568,7 no tratamento Fenton para 1106,3 após o tratamento sonofenton. Isto demonstrou que o tratamento sono-Fenton induz a desintegração das lamas e melhora significativamente a libertação de carbono orgânico, azoto e fósforo.

Células de combustível microbianas intensificadas por ultra-sons

O pré-tratamento ultrassónico de lamas de depuração promove a solubilização de vários compostos orgânicos a partir da matriz de lamas, o que acelera subsequentemente a electrohidrogenese microbiana.
More e Ghangrekar (2010) contribuem para os efeitos benéficos do pré-tratamento de sonicação em células de combustível microbianas para actividades enzimáticas melhoradas e a disponibilidade de proteínas extracelulares, polissacáridos e enzimas, que são libertados a partir de camadas internas de flocos de lamas para as camadas exteriores por sonoporação ultra-sónica e rutura celular, resultando em melhor eficiência de utilização do substrato. Para melhorar a captação de eletricidade das células de combustível microbianas, é necessário melhorar a capacidade de transferência de electrões das bactérias para uma substância sólida extracelular. Esta transferência extracelular de electrões pode ocorrer quer em contacto direto entre a superfície da célula e a superfície sólida, quer indiretamente através dos chamados mediadores exógenos e endógenos. Para a transferência direta de electrões entre a bactéria e a superfície do elétrodo, o eletrão deve atingir a membrana externa da célula. Este fenómeno pode ter ocorrido devido ao pré-tratamento por ultra-sons dado ao inóculo quando a energia específica fornecida era adequada, favorecendo assim uma maior eficiência Coulombiana.
Um processo de eletrólise microbiana intensificado por ultra-sons poderia ser combinado com processos de fermentação subsequentes para o tratamento de lamas.

Tratamento Sono-Eletroquímico de Lamas de Esgoto

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 económica. A ultrassonografia ajuda a superar o principal inconveniente dos processos de eletrocoagulação, impedindo a formação de camadas passivantes nos eléctrodos. As películas passivas que se formam na superfície do elétrodo ao longo do tempo reduzem drasticamente a eficiência dos sistemas de eletrocoagulação e os ultra-sons são um método fácil de remover estas camadas passivantes continuamente durante o funcionamento, ao mesmo tempo que a sonicação aumenta a rotação dos sistemas de eletrocoagulação. As ondas ultra-sónicas decompõem os sedimentos formados na superfície do elétrodo e geram grandes quantidades de espécies radicais para remover os poluentes, criando pontos de alta pressão no interior da solução durante o fenómeno de cavitação. Ao combinar a eletrocoagulação com a ultra-sons, devido à criação de novas superfícies no elétrodo por cavitação ou micro-corrente, a diminuição da espessura da camada de distribuição é exacerbada pelo aumento das taxas de transferência de massa. A sono-eletrocoagulação aumenta a quantidade de formação de coagulante em comparação com a eletrocoagulação, e a floculação é reforçada por mistura extrema e oxidação por formação de radicais livres; por conseguinte, é possível atingir a eficiência desejada no mais curto espaço de tempo.
(Moradi et al., 2021)

Vantagens da Sonoelectroquímica e da Sonoelectrocoagulação

"A sonoelectroquímica é a combinação de energia ultra-sónica num sistema eletroquímico que oferece várias vantagens, incluindo a remoção de bolhas de gás na superfície do elétrodo, a desgaseificação da solução, a rutura da camada de difusão de Nernst, o aumento do transporte de massa de espécies electroactivas através da dupla camada e a ativação e limpeza da superfície do elétrodo. Estes benefícios em eletroquímica conduzem a uma maior eficiência do processo (eficiência do elétrodo e da corrente), a um aumento das taxas e rendimentos electroquímicos, a uma diminuição das tensões celulares e dos sobrepotenciais do elétrodo, a uma melhoria dos materiais electrodepositados em termos de dureza, qualidade, porosidade e espessura, e à supressão da incrustação e desgaseificação da superfície do elétrodo. (Foroughi et al., 2021)
Leia mais sobre o equipamento sono-eletroquímico e as suas aplicações!

Sistemas industriais de ultra-sons para tratamento de lamas de depuração

Os sistemas de alto desempenho da Hielscher Ultrasonics são um cavalo de batalha fiável nas estações de tratamento de águas residuais e de lamas de depuração. Os sistemas ultra-sónicos Hielscher fornecem ultra-sons de alta potência a 20kHz, o que cria uma cavitação acústica intensa. Os efeitos do nosso tratamento ultrassónico de alta potência incluem a rutura e a desintegração das células, a elevada transferência de massa, a desinfeção, a decomposição de polímeros, a libertação de enzimas e a homogeneização das lamas. A sonicação de alta intensidade melhora a eficiência do tratamento através da geração de radicais oxidativos e do aumento dos locais de nucleação, garantindo uma melhor coagulação e floculação. A geração fiável e contínua destas forças de cavitação ultra-sónica intensas e os seus efeitos permitem integrar os nossos potentes processadores ultra-sónicos em várias aplicações, a fim de melhorar a recolha de energia e nutrientes das lamas de depuração.

• Desintegração ultra-sónica de lamas de depuração
• Digestão anaeróbia intensificada por ultra-sons
• Recuperação de nutrientes valiosos (fósforo, azoto, magnésio, cálcio, potássio, etc.)
• Remoção de contaminantes, tais como metais pesados

Oferecendo processadores ultra-sónicos com reactores de fluxo em vários tamanhos, a Hielscher Ultrasonics tem os sistemas ultra-sónicos ideais de tratamento de resíduos e lamas para as suas instalações de lamas de depuração.
O design modular permite a instalação simples de várias unidades de ultra-sons em paralelo, o que torna possível um tratamento fiável e eficiente de qualquer volume.
Os sistemas de ultra-sons de alta potência / alto rendimento da Hielscher aumentam a eficiência e o rendimento no tratamento de biomassa em lamas de depuração.
Todos os nossos ultrassons dispõem de limpeza no local (CIP).
Adequado para tratamentos exigentes: As lamas de depuração contêm frequentemente materiais fibrosos com elevado teor de celulose, que são difíceis de desintegrar. Hielscher Ultrasonics’ Os processadores ultra-sónicos industriais podem fornecer amplitudes muito elevadas. Amplitudes de até 200µm podem ser facilmente executadas de forma contínua em operação 24/7. Para amplitudes ainda mais elevadas, estão disponíveis sonotrodos ultra-sónicos personalizados. Tais amplitudes elevadas são uma maneira eficaz de romper a estrutura celular de celulose, lignina e paredes celulares robustas de outros materiais. O design optimizado dos nossos reactores de células de fluxo assegura padrões de fluxo ideais e o tratamento ultrassónico uniforme e eficiente das lamas alimentadas.

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

Como fabricante e construtor de sistemas de unidades modulares ultra-sónicas de alto desempenho, a Hielscher Ultrasonics trabalha em conjunto com integradores de sistemas. A maior parte dos operadores de estações de tratamento de águas residuais e de lamas de depuração trabalham com integradores de sistemas, que têm uma vasta experiência na conceção e automatização de tais estações de depuração. A nossa equipa de engenheiros de projeto e engenheiros técnicos recomenda a configuração ultra-sónica ideal para o volume de lamas pretendido, fornece informações detalhadas sobre o sistema, desenhos CAD, bem como serviços de instalação e formação operacional. Isto permite uma implementação construtiva e orientada para os objectivos da integração de ultra-sons de alto desempenho em estações de tratamento de águas residuais. Contacte-nos se estiver interessado em integrar os nossos processadores de ultra-sons para um melhor tratamento das lamas!

O quadro seguinte dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximada dos nossos ultra-sons:

Contacte-nos agora para obter mais detalhes sobre os sistemas ultra-sónicos de tratamento de lamas de depuração da Hielscher, opções de instalação e informações técnicas!