Recuperação de nutrientes por precipitação química em efluente da suinocultura

Abstract

Resumo: Nutrientes como fósforo (P) e potássio (K) são amplamente utilizados na agricultura, principalmente sob a forma de fertilizantes químicos. No entanto, ambos são recursos minerais limitados e não renováveis. A recuperação desses íons é essencial não apenas para mitigar os impactos ambientais, mas também para preservar esses recursos valiosos. A recuperação de nutrientes a partir de fluxos de resíduos é, portanto, um passo crucial para alcançar uma economia mais sustentável e eficiente. A indústria de fertilizantes utiliza grandes quantidades de nutrientes para aumentar a produção agrícola, visando atender à crescente demanda global por alimentos. Por essa razão, estratégias de recuperação de nutrientes em efluentes têm sido desenvolvidas e aprimoradas. Este trabalho teve como objetivo recuperar nutrientes via precipitação química de águas residuárias da suinocultura. Na primeira etapa do estudo, foi investigada a produção de K-estruvita em solução sintética por meio de precipitação química. Ensaios foram realizados em meio sintético para formar cristais de K-estruvita, que é composta por potássio (K), magnésio (Mg) e fósforo (P). Após a validação em meio sintético, os experimentos avançaram para a segunda etapa, na qual efluentes reais da suinocultura foram utilizados após tratamento prévio para remoção de carbono e nitrogênio. As amostras foram coletadas do Sistema de Tratamento de Efluentes da Suinocultura (SISTRATES®), após a remoção de nitrogênio amoniacal. Diferentes condições de reação foram testadas, com base em um planejamento fatorial 2², variando-se o pH e a temperatura. Devido à interferência das razões molares na precipitação, foi realizada a suplementação de magnésio e fósforo. Também foi testada a influência do EDTA como agente quelante do cálcio (Ca), um íon que interfere no processo. Na terceira etapa, foi realizada uma Avaliação do Ciclo de Vida (ACV) para identificar possíveis impactos ambientais e benefícios resultantes da recuperação de nutrientes por precipitação química. Nos experimentos com solução sintética, foi observada a formação de cristais, sugerindo a produção de K-estruvita. No tratamento de águas residuárias da suinocultura, o planejamento fatorial testou temperaturas de 20 a 40°C e pH de 9 a 11. Foi constatado que o aumento da temperatura e do pH favoreceu a formação de precipitados. Os principais íons presentes nos sólidos precipitados foram fósforo (P) e cálcio (Ca), seguidos de magnésio (Mg), indicando a formação de fosfato de cálcio, além de outros compostos, como fosfato de magnésio e hidróxido de magnésio. Apesar de a quantidade de potássio nos precipitados ter sido pequena, as eficiências de remoção de fósforo e magnésio atingiram 97% e 77%, respectivamente. A adição de fósforo no efluente favoreceu a formação de precipitados contendo potássio e cálcio, enquanto a suplementação de magnésio aumentou a eficiência de remoção de fósforo. Nos experimentos com EDTA, a remoção de cálcio foi menor, mas a remoção de magnésio aumentou, sugerindo que, embora o EDTA tenha inibido parte da reação com cálcio, o fósforo reagiu preferencialmente com magnésio, o que não favoreceu a precipitação da K-estruvita. Nos estudos de ACV, o cenário representando a configuração atual do módulo P do SISTRATES® apresentou o melhor desempenho ambiental entre os cenários avaliados. Conclui-se que a produção de K-estruvita em efluentes reais é um grande desafio, pois exige o controle rigoroso de fatores como pH, temperatura, razões molares e presença de íons interferentes. Embora a produção de K-estruvita não tenha sido confirmada nas condições reacionais testadas, o estudo obteve sucesso na recuperação de fósforo, magnésio, cálcio e potássio dos fluxos de resíduos

Abstract: Nutrients such as phosphorus (P) and potassium (K) are widely used, mainly as chemical fertilizers, but they are exhaustible mineral resources. It is necessary to recover these ions not only to avoid environmental problems, but also to avoid the loss of residual resources. Nutrient recovery from waste streams is an important step towards a sustainable and resource-efficient economy, promoting the circular economy. Fertilizer industries use a large amount of nutrients to improve agricultural production to meet the growing global demand for food. Therefore, effluent recovery strategies have been developed and improved, and in this sense, the work aimed to recover nutrients via chemical precipitation from pig farming wastewater. The first stage of the work aimed to produce K-struvite in a synthetic solution, through chemical precipitation. To this end, tests were carried out in synthetic solution in order to obtain K-struvite crystals, composed of K, magnesium (Mg) and P. Given the production in synthetic solution, the experiments were conducted, in the second stage, with swine effluent after previous treatment processes involving carbon and nitrogen abatement. Samples were collected from the Swine Effluent Treatment System - SISTRATES®, after removing ammonia nitrogen. Different reaction conditions were tested for chemical precipitation, using the 2² factorial design, varying pH and temperature. Given the influence of molar ratios on precipitation, experiments were conducted with Mg and P supplementation. The influence of EDTA as a chelating agent for calcium (Ca), an interfering ion, was also tested and analyzed. In the third stage, to identify the possible environmental impacts and/or mitigated benefits resulting from the recovery of nutrients with the chemical precipitation used in this work, a life cycle assessment (LCA) study was carried out. As a result of this study, in the synthetic medium it was possible to show that the precipitation resulted in the formation of crystals, indicating the formation of K-struvite. In precipitation using wastewater from pig farming, the factorial design tested temperatures between 20 and 40ºC and pH between 9 and 11, observing that the higher the temperature and the more alkaline pH, the greater the amount of precipitates were formed. The ions most present in the solids were P and Ca, followed by Mg, indicating the formation of calcium phosphate, in addition to other compounds, such as magnesium phosphate and magnesium hydroxide. The molar ratios indicate the formation of precipitates containing K, even if in small quantities. P and Mg removal efficiencies reached 97 and 77%, respectively. In P and Mg supplementation, when P was added to the effluent, it favored a greater formation of precipitates containing K and Ca. The separate addition of Mg increased the P removal efficiency. In experiments with the addition of EDTA, there was less removal of Ca in the supernatant, but increased the removal of Mg, showing that although EDTA inhibited part of the reaction with Ca, P reacted preferentially with Mg, not favoring the precipitation of K-struvite. In the LCA studies, it was possible to identify in the comparative analysis that the scenario corresponding to the current configuration of the SISTRATES® P module offers the best environmental performance among all the scenarios evaluated in this study. It is concluded that the production of K-struvite in real effluent is a great challenge, as it is necessary to control conditioning factors such as pH, temperature, molar ratios, supersaturation, presence of other ions, to be successful. With the reaction conditions tested in this work, it was not possible to prove the production of K-struvite, but it was possible to obtain efficiency in the recovery of P, Mg, Ca and K from the waste stream