Nutrient recovery from waste water treatment plant by sorption processes : technical and economic analysis

Abstract

In the last years has been performed a huge number of research related to nutrients (mainly N and P) recovery from waste water in order to promote their reuse and also to avoid eutrophication. Recovering nutrient from waste water can promote the circular economy, minimize the environmental footprint of waste water treatment and reduce anthropogenic alteration of nitrogen and phosphorus natural cycle. Among the different techniques studied, sorption is nowadays one of the most interesting alternatives as requires less energy than electrochemical or membrane technologies and sorbents can be regenerated for being reused. Thus, the overall sorption performance of different ion exchangers was characterized for nutrient recovery from waste water treatment plant effluents. Two commercial polymeric resins doped with Hydrated Ferrous Oxide (HFO) (Lewatit FO36 and Fiban-As) were assessed for ammonium and phosphate uptake from waste water streams. Equilibrium and kinetics studies have been performed through batch experiments and the dynamic studies were carried out by fixed-bed column. The experimental study covered from the simplest monocomponent synthetic water (ammonium, phosphate solutions) to the most complex real water from waste water treatment plant (WWTP) which contains ions, TSS and organic matter. Sorption experiments reported for both sorbents high selectivity towards phosphate ions as sorption capacity did not significantly decrease in presence of competing ions. Loaded sorbents were regenerated through alkaline and acid desorption in order to reuse resin and obtain a high concentrated phosphate solution, which could be used for high quality fertilizer production. Results in dynamic flow experiments reported up to 80% of loaded phosphate extraction, although during desorption process was observed sorption capacity decrease up to 30% after three sorption-desorption working cycles. Besides, salt modified synthetic zeolites were assessed for being used both as one charge (di-valent forms) and reusable (mono-valent forms) sorbent. Raw zeolites provided in sodium form as well as it modification in potassium form showed high sorption capacity for ammonium uptake but poor performance for phosphate recovery from waste water streams as the sorption mechanism is mainly ion exchange. Regeneration experiments showed that both Ze-Na and Ze-K can be reused several sorption-desorption working cycles without significant sorption capacity decrease (< 5%). Nevertheless, after salt modification to calcium and magnesium forms, the precipitation of phosphate salts was favoured obtaining hydroxyapatite and struvite in loaded Ze-Ca and Ze-Mg, respectively. As hydroxyapatite’s solubility and phosphorus availability is similar to commercial fertilizers, loaded Ze-Ca could be potentially recycled for agricultural uses. Finally, an economic assessment simulation was performed by applying Ze-Ca in the Baix Llobregat Waste Water Treatment Plant, located in the Metropolitan Area of Barcelona. The study reported that the implantation Ze-Ca filtration for nutrient recovery would be economically feasible, despite that more research is required in order to fit technical issues as the loaded sorbent disposal or the capability of loaded zeolites to be used as fertilizer.

En los últimos años se han llevado a cabo un gran número de estudios relacionados con la recuperación de nutrientes (sobre todo N y P) de aguas residuales con el fin de promover su reutilización y evitar la eutroficación . Recuperar nutrientes de aguas residuales puede promover la economía sircular , minimizar la huella de los tratamientos de aguas residuales, así como reducir la alteración antropogénica del ciclo natural del nitrógeno y el fósforo. Entre las diferentes técnicas estudiadas, la sorción es actualmente uno de las alternat ivas más Interesantes ya que requiere menos energía que técnicas electróquímicas o las tecnologías de membrana. Además , los sorbentes se pueden regenerar y reutilizar. Así , se ha caracterizado el comportamiento integral de diferentes sorbentes para la recuperación de nutrientes de efluentes de aguas residuales. Se evaluaron dos lntercambiadores iónicos poliméricos comerciales dopados con Óxido de Hierro Hidratado (Lewatit F036 y Fiban-As) para la eliminación de fosfato de corrientes de aguas residuales. Se llevaron a cabo estudios en equilibrio y se caracterizó la cinética mediante experimentos en discontinuo y los experimentos dinámicos se llevaron a cabo mediante columnas de lecho fijo . El estudio experimental cubrió desde soluciones monocomponentes de fosfato hasta corrientes reales de plantas de tratamiento de aguas residuales que contenían iones competidores, sólidos suspendidos y materia orgánica . Los experimentos reportaron para los dos sorbentes una alta selectividad hacia los iones fosfato, ya que no se observó una reducción significativa de la capacidad de sorción en presencia de iones competidores . Los sorbentes cargados se regeneraron mediante desorción alcalina y ácida para reutilizar el sorbents y obtener corrientes con alta concentración de fosfato, que se pueden emplear para la producción de fertilizante de alta calidad. Los resultados en columnas de lecho fijo mostraron una extracción de más del 80% del fosfato sorbido, aunque durante el proceso de desorción se vio una reducción de la capacidad de más del 30% tras tres ciclos de sorción - desorción. Además, se evaluaron zeolitas modificadas mediante tratamiento salino para ser usados tanto como sorbentes de una sola carga (en la forma divalente) como reusables (en la forma monovalente). La zeolita bruta facilitada en la forma sódica, así como la forma potásica mostraron alta capacidad para la eliminación de amonio, pero prácticamente nula capacidad de retención para los iones fosfato, ya que el mecansmo de sorción es principalmente intercambio iónico. Los experimentos de regeneración mostraron que ambas zeolitas se pueden emplear para un gran número de ciclos de sorción-desorción sin perder capacidad (<5%). Tras la modificación salida a las formas cálcica y magnésica, se favorece la precipitación de sales fosfóricas obteniendo hidroxiapatita y estruvita en la Ze-Ca y Ze-Mg cargada, espectivamente. Dada que la solubilidad de la hidroxiapatita, así como la disponibilidad del fósforo de la hidroxiapatita es similar a la de los fertilizantes comerciales, la Ze-Ca cargada puede potencialmente ser reciclado para usar en agricultura. Finalmente, se llevó a cabo una simulación económica empleando Ze-Ca en la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales de El Baix Llobregat, situada en la Area metropolitana de Barcelona. El estudio reveló que la implantación de un filtro de Ze-Ca para la recuperación de nutrientes puuede ser económicamente viable , aunque se requieren más estudios para dar solución a aspectos técnicos como la gestión del sorbente cargado o la capacidad real de las zeolitas cargas de ser utilizadas como fertilizantes