Diversas soluções para a recuperação de fósforo a partir de lamas de depuração municipais

O fósforo é um recurso mineral crítico, cuja disponibilidade natural está a diminuir rapidamente. Por conseguinte, o governo alemão determinou por decreto que, a partir de 2029, o fósforo deve ser recuperado em grande parte das lamas de depuração. A implementação de ultrassons de potência abre diversas possibilidades para intensificar a recuperação de fósforo a partir de 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 nas indústrias de química fina e farmacêutica. Devido à rápida diminuição dos recursos disponíveis, o governo alemão implementou uma lei segundo a qual todas as estações municipais de tratamento de águas residuais devem adotar medidas para recuperar o fósforo das lamas de depuração municipais. A implementação de ultrassons de elevado desempenho oferece diversas opções de tratamento, que aumentam significativamente a eficiência da recuperação de fósforo.

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

Desintegração ultrassónica de lamas de depuração para melhorar a recuperação de fósforo

Foi claramente demonstrado que a irradiação de lamas de depuração com ondas ultrassónicas potentes melhora a desintegração da biomassa nas lamas de depuração. Numerosos estudos de investigação demonstraram os benefícios do tratamento ultrassónico de lamas ativadas em excesso, e vários sistemas ultrassónicos industriais estão em funcionamento em estações municipais de tratamento de águas residuais na Alemanha.
O pré-tratamento ultrassónico dos substratos nas lamas de depuração tem vários efeitos benéficos nos processos de digestão anaeróbia. Estes benefícios incluem a redução do tamanho das partículas, o aumento da velocidade de hidrólise e a diminuição do tempo de retenção hidráulica.
As forças de cisalhamento cavitacional geradas por ondas ultrassónicas de alta intensidade / baixa frequência provocam a desagregação da morfologia dos flocos das lamas e da estrutura microbiana das lamas.
A equipa de investigação de Nguyen demonstrou nos seus estudos «que a aplicação de ultrassons é muito eficaz na redução do tamanho das partículas de biomassa, conseguindo uma redução para um tamanho médio das partículas de >78,78%, proporcional à duração e à intensidade da exposição à irradiação ultrassónica. Isto indicou que as partículas das lamas se desintegraram e que o tamanho das partículas das lamas diminuiu, com base numa relação inversa entre o tempo de sonicação e o tamanho das partículas dos flocos. A aplicação foi altamente eficaz, apesar de as observações dos flocos das lamas antes do tratamento terem revelado que estes eram densos e altamente compactos, compostos por muitos subcompartimentos com núcleos compactos, aglomerados celulares, colónias bacterianas, protozoários e bactérias filamentosas, entre outros fatores. A análise do efluente mostra que o processo ultrassónico desintegrou significativamente a integridade estrutural dos flocos das lamas de todos os tamanhos. Os fragmentos dos flocos foram reduzidos a dimensões tão pequenas como ≤6,5 μm em condições de tratamento ótimas e foram dissolvidos na suspensão de lamas após 5–10 min de tratamento ultrassónico com uma frequência ultrassónica baixa de 20 kHz.» (Nguyen et al., 2015)
As lamas de depuração eficientemente desintegradas, isto é, as lamas sonicadas, apresentam propriedades de separação significativamente melhoradas, permitindo remover frações ricas em fósforo da biomassa e das frações de consistência gelatinosa, bem como da água. A cavitação ultrassónica provoca a rutura das estruturas celulares da biomassa nas lamas de depuração e facilita o fracionamento subsequente em três frações: (i) fibras ricas em celulose, (ii) um gel rico em nutrientes e (iii) um líquido facilmente fermentável. Estas três frações das lamas podem ser posteriormente processadas, por exemplo, para recuperação de fósforo, remoção de metais pesados, etc.

Precipitação de fósforo por via química húmida intensificada por ultrassons

A sonicação é uma técnica bem conhecida, utilizada há muito tempo em química para a precipitação bem-sucedida e eficaz de minerais, partículas e cristais. Para a recuperação de fósforo a partir de lamas de depuração, a sonicação é aplicada para promover e acelerar a precipitação de estruvite. A estruvite (fosfato de amónio e magnésio) 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 da estruvite, até a reação atingir o equilíbrio.

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

Quando a sonicação é aplicada como pré-tratamento das lamas antes do processo de precipitação da estruvite, a cavitação induzida por ultrassons proporciona uma mistura completa ao nível molecular, disponibilizando área superficial ativa para o crescimento dos cristais. Um aumento da velocidade de solubilização das substâncias extracelulares e intracelulares beneficia ainda mais a precipitação da estruvite, aumentando a biodisponibilidade dos iões NH₄⁺ e PO₄^3- . O tratamento por sonicação facilita a transferência de massa através da suspensão, devido à cavitação ultrassónica.
A sonicação também pode ser aplicada ao licor de carbonização hidrotermal, no qual o fósforo é reciclado sob a forma de estruvite a partir do licor de carbonização hidrotermal através de extração e precipitação assistidas por ultrassons.
Saiba mais sobre a precipitação de estruvite em grande escala para a recuperação de fósforo a partir de lamas de depuração!

Sono-Fenton para a libertação de fósforo das lamas de depuração

O estudo de Gong et al. (2015) demonstrou a eficiência de um pré-tratamento combinado de ultrassons–Fenton (também conhecido como sono-Fenton) para a desintegração de lamas de depuração. A aplicação do tratamento ultrassons–Fenton aumentou significativamente a libertação de carbono, azoto e fósforo. O tratamento sono-Fenton aumentou o azoto total (N) e o fósforo (P) em 1,7 e 2,2 vezes, respetivamente, em comparação com o tratamento Fenton isolado. Após o tratamento sono-Fenton, as lamas apresentaram partículas de tamanho consideravelmente menor e uma microestrutura menos compacta, de acordo com a microscopia eletrónica de varrimento. Utilizando ressonância de spin eletrónico, a intensidade mais elevada do sinal de OH• aumentou de 568,7 com o tratamento Fenton para 1106,3 após o tratamento sono-Fenton. 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 ultrassons

O pré-tratamento ultrassónico de lamas de depuração promove a solubilização de vários compostos orgânicos da matriz das lamas, o que subsequentemente acelera a eletro-hidrogenogénese microbiana.
More e Ghangrekar (2010) atribuem os efeitos benéficos do pré-tratamento por sonicação nas células de combustível microbianas ao aumento das atividades enzimáticas e à disponibilidade de proteínas, polissacáridos e enzimas extracelulares, que são libertados das camadas internas dos flocos das lamas para as camadas externas por sonoporação ultrassónica e rutura celular, resultando numa maior eficiência de utilização do substrato. Para melhorar a obtenção de eletricidade a partir das células de combustível microbianas, é necessário melhorar a capacidade das bactérias de transferirem eletrões para uma substância sólida extracelular. Esta transferência extracelular de eletrões pode ocorrer por contacto direto entre a superfície celular e a superfície sólida ou indiretamente através dos chamados mediadores exógenos e endógenos. Para a transferência direta de eletrões entre as bactérias e a superfície do elétrodo, o eletrão deve atingir a membrana externa da célula. Este fenómeno pode ter ocorrido devido ao pré-tratamento por sonicação aplicado ao inóculo quando a energia específica fornecida era adequada, favorecendo assim uma eficiência coulômbica mais elevada.
Um processo de eletrólise microbiana intensificado por ultrassons poderia ser combinado com processos de fermentação subsequentes para o tratamento das lamas.

Tratamento sonoeletroquímico de lamas de depuração

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 sonicação ajuda a superar a principal desvantagem dos processos de eletrocoagulação, impedindo a formação de camadas passivantes nos elétrodos. As películas passivas que se formam na superfície dos elétrodos ao longo do tempo reduzem drasticamente a eficiência dos sistemas de eletrocoagulação, e os ultrassons são um método simples para remover continuamente estas camadas passivantes durante o funcionamento, enquanto a sonicação aumenta simultaneamente a capacidade de processamento dos sistemas de eletrocoagulação. As ondas ultrassónicas desagregam os sedimentos formados na superfície dos elétrodos e geram grandes quantidades de espécies radicalares para remover poluentes, criando pontos de alta pressão no interior da solução durante o fenómeno de cavitação. Ao combinar a eletrocoagulação com ultrassons, devido à criação de novas superfícies no elétrodo por cavitação ou microcorrentes, a diminuição da espessura da camada de distribuição é acentuada pelo aumento das taxas de transferência de massa. A sonoeletrocoagulação aumenta a quantidade de coagulante formado em comparação com a eletrocoagulação, e a floculação é intensificada pela mistura extrema e pela oxidação decorrente da formação de radicais livres; por conseguinte, é possível atingir 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 ultrassónica 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, a intensificação do transporte de massa de espécies eletroativas através da dupla camada e a ativação e limpeza da superfície do elétrodo. Estes benefícios na eletroquímica conduzem a uma maior eficiência dos processos (eficiência dos elétrodos e da corrente), ao aumento das velocidades e dos rendimentos eletroquímicos, à diminuição das tensões das células e dos sobrepotenciais dos elétrodos, à melhoria dos materiais eletrodepositados em termos de dureza, qualidade, porosidade e espessura, e à supressão da incrustação dos elétrodos e da desgaseificação na superfície do elétrodo.» (Foroughi et al., 2021)
Saiba mais sobre o equipamento sonoeletroquímico e as suas aplicações!

Sistemas ultrassónicos industriais para o tratamento de lamas de depuração

Os sistemas de elevado desempenho da Hielscher Ultrasonics são equipamentos de trabalho fiáveis nas estações de tratamento de águas residuais e de lamas de depuração. Os sistemas ultrassónicos Hielscher fornecem ultrassons de alta potência a 20kHz, que criam cavitação acústica intensa. Os efeitos do nosso tratamento ultrassónico de alta potência incluem rutura celular e desintegração, elevada transferência de massa, desinfeção, decomposição de polímeros, libertação de enzimas e homogeneização das lamas. A sonicação de alta intensidade melhora a eficiência do tratamento através da geração de radicais oxidantes e do aumento dos locais de nucleação, assegurando uma melhor coagulação e floculação. A geração fiável e contínua destas forças intensas de cavitação ultrassónica e os seus efeitos permitem integrar os nossos potentes processadores ultrassónicos em diversas aplicações, para melhorar a recuperação de energia e nutrientes das lamas de depuração.

• Desintegração ultrassónica de lamas de depuração
• Digestão anaeróbia intensificada por ultrassons
• Recuperação de nutrientes valiosos (fósforo, azoto, magnésio, cálcio, potássio, etc.)
• Remoção de contaminantes como metais pesados

Ao disponibilizar processadores ultrassónicos com reatores de fluxo contínuo de vários tamanhos, a Hielscher Ultrasonics oferece os sistemas ultrassónicos ideais de tratamento de águas residuais e lamas para a sua instalação de tratamento de lamas de depuração.
A conceção modular permite a instalação simples de várias unidades ultrassónicas em paralelo, possibilitando o tratamento fiável e eficiente de qualquer volume.
Os sistemas ultrassónicos Hielscher de alta potência / elevada capacidade de processamento aumentam a eficiência e o rendimento no tratamento da biomassa nas lamas de depuração.
Todos os nossos sonicadores dispõem de limpeza no local (CIP).
Adequados para tratamentos exigentes: as lamas de depuração contêm frequentemente materiais fibrosos com elevados teores de celulose, que são difíceis de desintegrar. Os processadores ultrassónicos industriais da Hielscher Ultrasonics podem fornecer amplitudes muito elevadas. Amplitudes de até 200µm podem ser facilmente mantidas de forma contínua em funcionamento 24/7. Para amplitudes ainda mais elevadas, estão disponíveis sonotrodos ultrassónicos personalizados. Estas amplitudes elevadas são uma forma eficaz de provocar a rutura da estrutura celular das celuloses, da lenhina e das paredes celulares resistentes de outros materiais. A conceção otimizada dos nossos reatores de célula de fluxo assegura padrões de fluxo ideais e um tratamento ultrassónico uniforme e eficiente das lamas alimentadas.

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

Enquanto fabricante e construtor de sistemas de unidades modulares ultrassónicas de elevado desempenho, a Hielscher Ultrasonics trabalha em conjunto com integradores de sistemas. A maioria dos operadores de estações de tratamento de águas residuais e de lamas de depuração trabalha com integradores de sistemas com vasta experiência na conceção e automatização destas estações de depuração. A nossa equipa de engenheiros de projeto e engenheiros técnicos recomenda a configuração ultrassónica ideal para o volume de lamas pretendido e 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 objetivos da integração de ultrassons de elevado desempenho em estações de tratamento de águas residuais. Contacte-nos se estiver interessado em integrar os nossos processadores ultrassónicos para melhorar o tratamento das lamas!

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

Contacte-nos agora para obter mais detalhes sobre os sistemas ultrassónicos Hielscher para o tratamento de lamas de depuração, as opções de instalação e as informações técnicas!