Avaliação do potencial de recuperação de fósforo de efluentes líquidos através de precipitação de estruvite

Abstract

A escassez do fósforo (P) surge como um problema em destaque no século XXI. No entanto, as alterações no seu ciclo têm levado à acumulação nas águas, o que provoca o fenómeno de eutrofização. Assim, para minimizar o impacto negativo do fósforo e sendo este um macronutriente fundamental é importante recuperá-lo. Neste contexto, este trabalho tem como objetivo caracterizar efluentes de diversas zonas das Estações de Tratamento de Águas Residuais (ETAR) a fim de avaliar a viabilidade de recuperação de P por precipitação química através da formação de estruvite. Adicionalmente, o processo de precipitação de estruvite (NH4MgPO4•6H2O) foi estudado, numa primeira fase, com recurso a soluções sintéticas, e no final foram avaliados efluentes reais.A caracterização das amostras revelou que os níveis de P são bastante variáveis entre as três ETAR consideradas. No entanto, em todos os casos, a concentração de P total e dissolvido é superior nas amostras retiradas antes da digestão anaeróbia, diminuindo no efluente depois da digestão anaeróbia e a menor concentração é encontrada nas águas do processo de desidratação.Relativamente aos ensaios preliminares de precipitação, o pH 9 (controlado ao longo do tempo) demonstrou ser o mais favorável à formação de estruvite (FE) e recuperação de fósforo (RP). A reação de formação de estruvite é rápida, atingindo-se o estado estacionário entre 30 a 60 min. A temperatura tem influência no processo, verificando-se uma RP média de 81,9% a 21ºC, enquanto a 40ºC apenas se atingiu 73,3%. Uma vez que o pH e razão Mg:P foram os fatores que mostraram ter mais influência no processo, foi feita a sua otimização através de um desenho de experiências. As condições ótimas obtidas foram pH 10,5 e razão Mg:P de 2, com RP de 98,3% e FE de 123,5%. Contudo, nestas condições as fases cristalinas formadas foram o óxido de fósforo de magnésio (53,9%), catite (35,5%) e de fosfato de amónia (10,5%), não sendo identificada estruvite. Para obter como única fase a estruvite, as condições mais favoráveis foram pH 9,5 e razão Mg:P de 2, sendo estas as escolhidas como condições ótimas no trabalho subsequente. Por fim, as condições ótimas foram testadas no efluente real, onde se obteve uma RP de 98,0% e uma FE de 58,7%. Pela análise de XRD verificou-se que o sólido obtido continha estruvite em baixa quantidade (4,5%), catite (15,9%) e um derivado da estruvite designado de potassium sodium ammonium magnesium phosphate hydrate (79,6%). Este último composto é considerado uma mistura de estruvite-K e estruvite-Na, que são compostos de interesse na recuperação de P nas águas residuais, pois a coexistência destes compostos permite maior eficiência na recuperação de P.

The shortage of phosphorus (P) is a major problem in the 21st century. The P cycle changes have led to its accumulation in the waters, causing the eutrophication phenomenon. Thus, to minimize the negative impact of phosphorus, which is a vital macronutrient, it is crucial to consider its recovery. In this context, this work aims to characterize effluents from different points in wastewater treatment plants (WWTP) to evaluate the feasibility of P recovery by chemical precipitation through the formation of struvite. The struvite precipitation process (NH4MgPO4•6H2O) was studied, in the first phase, using synthetic solutions, and at the end, real effluents were evaluated.The characterization of the samples revealed that the levels of P are quite variable among the three WWTPs considered. However, in all cases, the concentration of total and dissolved P is higher in the samples without anaerobic digestion, decreasing in the effluent with anaerobic digestion, and the lowest concentration is found in the water from the dewatering process.Regarding the preliminary precipitation tests, pH 9 (controlled over time) proved to be the most favorable for the formation of struvite (EF) and phosphorus recovery (RP). The reaction of struvite formation is fast, reaching the steady-state in 30 to 60 min. Also, the temperature influences the process, with an average RP of 81.9% at 21ºC, while at 40ºC was only 73.3%. A design of experiments was conducted to optimize the factors with the most influence on the process (pH and Mg:P ratio). The optimal conditions were pH 10.5 and Mg:P ratio of 2, with RP of 98.3% and EF of 123.5%. However, under these conditions, the crystalline phases formed were magnesium phosphorus oxide (53.9%), cattiite (35.5%), and ammonium phosphate (10.5%), while struvite was not identified. The most favorable conditions to obtain struvite as a single crystalline phase were pH 9.5 and Mg:P ratio of 2, which were chosen as optimal conditions in the subsequent work.Finally, the optimal conditions were tested in the real effluent, where an RP of 98.0% and an EF of 58.7% were obtained. The XRD analysis showed that the solid obtained had struvite in low amounts (4.5%), cattiite (15.9%), and a struvite derived called potassium sodium ammonium magnesium phosphate hydrate (79.6%). The latter compound is considered a mixture of struvite-K and struvite-Na. The coexistence of these compounds allows greater efficiency in P recovery, which is of great interest in P recovery in wastewater.