Estudo do processo de cristalização de estruvite em efluente urbano real

Abstract

Phosphorus (P) is an essential element of life on Earth, mainly as phosphate (PO43−). From a circular economy perspective, a sustainable solution to minimize phosphate rock scarcity and eutrophication is developing and implementing recovery technologies where P is more abundant. Thus, urban or domestic Wastewater Treatment Plants (WWTP) are emerging as an increasingly possibility. In this context, the present work aims to study the crystallization process of struvite (NH₄MgPO₄·6H₂O) in real urban wastewater. First, from an extensive characterization of various samples collected at different points of a Portuguese WWTP, it was possible to conclude that the highest concentrations of P are found in the mixed sludge streams (mixing of the sludges from the primary and secondary decanters). According to the study of the variables with significant influence on the process, it was found that at pH 10, the precipitated solid has a higher amount of impurities. However, the P recovery efficiencies (REf, P) obtained for these conditions were slightly higher than for pH 9. A Mg/P molar ratio of 2 and pH 10 led to the highest P recovery efficiency (98%), with a decrease in the initial P concentration from approximately 140 to 2.80 mg P/L. Synthetic effluent studies were conducted to understand the individual and group effects of other ions in the process of struvite formation. The results indicate that sodium inhibits the formation of struvite, showing slow recovery kinetics and the lowest REf, P (86.9 and 94.2%, for pH 9 and 10, respectively). On the other hand, calcium led to the higher REf, P (96.2 and 98.3%, for pH 9 and 10, respectively). However, optical microscope images have shown that this element significantly affects the crystals morphology and, consequently, the purity of the product obtained.The effect of using excess magnesium was studied to minimize the effects of Ca. For a Mg/Ca ratio of 3, it was possible to achieve a REf, P of 95.1%, which resulted in a decrease in P concentration from approximately 140 to 5.30 mg P/L. Also, the XRD analysis indicated that the precipitate did not contain crystalline forms of calcium. Finally, the precipitation in two steps allowed to improve the appearance of precipitated struvite, and at pH 9 the crystals obtained were larger than at pH 8.

O fósforo (P) é um elemento essencial para sustentar a vida na Terra, principalmente na forma de fosfatos (PO43−). Numa perspetiva de economia circular, uma solução sustentável para minimizar a problemática da escassez da rocha de fosfato e da eutrofização passa por desenvolver e implementar tecnologias de recuperação de P em locais onde este se encontre em maior abundância. Assim, as Estações de Tratamento de Águas Residuais (ETAR) urbanas ou domésticas surgem como uma possibilidade cada vez mais atual. Neste sentido, o presente trabalho tem como objetivo o estudo do processo de cristalização de estruvite (NH₄MgPO₄·6H₂O) em efluente urbano real. Inicialmente, através da caracterização de diferentes amostras recolhidas em pontos distintos de uma ETAR da zona Centro de Portugal Continental, foi possível verificar que as maiores concentrações de P se encontram nas correntes de lamas mistas (provenientes da junção das lamas dos decantadores primário e secundário). Através do estudo das variáveis com maior influência no processo, verificou-se que para pH 10, o sólido precipitado apresenta uma maior quantidade de impurezas, embora as eficiências de recuperação de P (REf, P) obtidas para este valor tenham sido ligeiramente superiores às obtidas para pH 9. Através de uma razão molar Mg/P igual a 2 e para pH 10 obteve-se a eficiência de recuperação de P mais elevada (98%). Esta condição traduziu-se numa diminuição da concentração inicial de P de aproximadamente 140 para 2,80 mg P/L. Com o objetivo de compreender o efeito individual e conjunto de outros iões no processo de formação de estruvite, realizaram-se estudos em efluente sintético. Assim, concluiu-se que o sódio inibe a formação de estruvite, apresentando uma cinética de recuperação lenta e os valores mais baixos de REf, P (86,9 e 94,2%, para pH 9 e 10, respetivamente). O cálcio, por outro lado, foi o que conduziu a REf, P mais elevadas (96,2 e 98,3%, para pH 9 e 10, respetivamente). Contudo, as imagens obtidas em microscópio ótico revelaram que este elemento afeta consideravelmente a morfologia dos cristais e, como tal, a pureza do produto obtido. Com o objetivo de minimizar os efeito do Ca, estudou-se o efeito da utilização de um excesso de magnésio. Para uma razão Mg/Ca igual a 3, foi possível alcançar uma REf, P de 95,1%, que se traduziu numa diminuição da concentração de P de aproximadamente 140 para 5,30 mg P/L. A análise através de XRD a esta amostra indicou que o precipitado não continha formas cristalinas de cálcio. Por fim, através de precipitação em duas etapas foi possível melhorar significativamente a aparência da estruvite precipitada, sendo que para pH 9 se obtiveram cristais maiores do que os obtidos para pH 8.