Recuperação de estruvite à escala piloto na ETAR de Frielas

Abstract

As estações de tratamento de águas residuais (ETAR) que efetuam a remoção de fósforo através do tratamento biológico e que utilizam digestores anaeróbios para o tratamento das lamas, têm elevadas concentrações de fósforo nas escorrências da desidratação na forma de ortofosfatos. Em condições específicas, o fósforo pode precipitar na forma de estruvite, o qual é geralmente responsável pelo entupimento das tubagens e de danos em vários equipamentos das ETAR. A cristalização de estruvite é uma das técnicas de recuperação mais promissoras para mitigar ou mesmo resolver os problemas associado a este mineral. A recuperação do fósforo na forma de estruvite sob circunstâncias controladas, não só previne a formação não intencional e descontrolada da mesma no circuito de lamas e respetivas escorrências, como também permite a sua valorização como fertilizante com valor comprovado de mercado. Neste contexto, um dos objetivos desta dissertação foi o start-up, controlo e otimização de um reator de cristalização à escala piloto na ETAR de Frielas, tendo como alimentação a escorrência da desidratação. Foi efetuada a caraterização prévia destas escorrências entre 30 de março e 05 de setembro de 2022, por forma a caraterizar aos precursores da estruvite e compreender o comportamento destes componentes (PO43--P: mínimo = 194 mg/L; máximo = 350 mg/L; média = 276 mg/L; NH4+-N: mínimo = 502 mg/L; máximo = 1381 mg/L; média = 791 mg/L; Mg2+: mínimo = 12,36 mg/L; máximo = 46,99 mg/L; média = 24,12 mg/L). Determinaram-se duas curvas de solubilidade polinomial de 2º ordem com um R2 de 0,30 e 0,79, referente às escorrências da desidratação da ETAR de Frielas. Durante o funcionamento do reator que ocorreu entre 21 de setembro e 26 de outubro de 2022, a otimização do mesmo foi realizada a partir de parâmetros de controlo como o pH e dosagem de magnésio, para isso foi utilizado uma solução de NaOH (8 g/L) e uma solução de MgCl2 (4 g/L; 8 g/L), respetivamente. O processo de cristalização removeu e recuperou fósforo da escorrência da desidratação, obtendo-se uma remoção máxima de 75%. Verificou-se uma remoção em menor proporção de azoto amoniacal, obtendo-se uma média de 14%. Durante a experiência o propósito foi manter o pH entre 8 e 9, verificando-se que para um pH superior ocorre uma maior remoção de fósforo. Tentou-se obter uma razão molar desejada de 1:1 (Mg:P), todavia não foi alcançada. A elevada concentração de fósforo presente na escorrência relativamente ao magnésio, contribuiu para o sucedido. A estruvite recuperada foi recolhida no fim da experiência, obtendo-se uma eficiência de recuperação de estruvite de 2,08%.

Wastewater treatment plants (WWTPs) that perform phosphorus removal through biological treatment and use anaerobic digesters for sludge treatment have high concentrations of phosphorus in the centrate in the form of orthophosphates. Under specific conditions, phosphorus can precipitate in the form of struvite, which is generally responsible for clogging of pipes and damage to various WWTP equipment. Struvite crystallization is one of the most promising recovery techniques to mitigate or even solve the problems associated with this mineral. The recovery of phosphorus in the form of struvite under controlled circumstances, not only prevents the unintentional and uncontrolled formation of phosphorus in the sludge circuit, but also allows its valorization as a fertilizer with proven market value. In this context, one of the objectives of this dissertation was the start-up, control and optimization of a pilot scale crystallization reactor at the Frielas WWTP, using as feed the centrate. A previous characterization of these centrate was performed between March 30 and September 5, in order to characterize the struvite precursors and to understand the behavior of these components (PO43--P: minimum = 194 mg/L; maximum = 350 mg/L; average = 276 mg/L; NH4+-N: minimum = 502 mg/L; maximum = 1381 mg/L; average = 791 mg/L; Mg2+: minimum = 12.36 mg/L; maximum = 46.99 mg/L; average = 24.12 mg/L). Two 2nd order polynomial solubility curves with R2 of 0.30 and 0.79 were determined, referring to the centrate from the Frielas WWTP. During the reactor operation that occurred between September 21 and October 26, the optimization of the reactor was performed from control parameters such as pH and magnesium dosage, for this a solution of NaOH (8 g/L) and a solution of MgCl2 (4 g/L; 8 g/L) were used, respectively. The crystallization process removed and recovered phosphorus from the centrate, achieving a maximum removal of 75%. There was a lesser removal of ammoniacal nitrogen, averaging 14%. During the experiment, the purpose was to maintain the pH between 8 and 9, and it was found that for a higher pH a greater removal of phosphorus occurs. A desired molar ratio of 1:1 (Mg:P) was attempted, but was not achieved. The high concentration of phosphorus in the centrate, relative to magnesium, contributed to this. The recovered struvite was collected at the end of the experiment and a struvite recovery efficiency of 2.08% was obtained.