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Jornadas técnicas: nuevas técnicas aplicadas al sector de la depuración de aguas residuales

“Integral Management Model for PhosphorusRecovery and Reuse from Urban Wastewater”

PHORWater LIFE+ project

LIFE12ENV/ES/000441

With the contribution of the LIFE financial instrument of the European Union

Introducción

Seguridad alimentaria/Impacto medioambiental

Escasez de fósforo (P)

+

Limitaciones de vertido cada vez más exigentes /problemas en EDAR con eliminación biológica de fósforo

+

Limitaciones de aplicación de lodo en agricultura

Gestión sostenible de este recurso en EDAR3

Objetivo

El principal objetivo de PHORWater es demostrar a escala

semi-industrial la viabilidad y sostenibilidad de una correcta

gestión del P en una EDAR obteniendo estruvita mediante un

proceso de cristalización controlada

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Qué nos hace diferentesPHORWater va de menos a más en tres niveles diferentes

Precipitación de estruvita

Configuración de la línea de lodos

EBPR

• Reactor simple y de fácil control• Bajo P en el efluente• El P se recupera como estruvita• Menos P en el lodo

• Menor precipitación incontrolada

• Más P disponible

• Eliminación de P• Menos reactivos• Menor producción de fangos

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Fases del proyecto1. Gestión integral del P en la EDAR para su recuperación.

2. Diseño e implementación de la planta de recuperación de P.

3. Validación de estruvita.

4. Ensayos de aplicación de estruvita.

5. Viabilidad económica

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EDAR de Calahorra

Capacidad de tratamiento: 23.000 m3/d

Configuracion: EBPR (A2O)

Digestión anaerobia de lodos primarios y secundarios

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Caracterización de la línea de aguas y lodos

Puntos de muestreo en la línea de agua

Puntos de muestreo en la línea de lodos

SIDSTREAM RETURNS

SIDESTREAM RETURNS

Primary Settling

Secondary Settling

Primary Sludge

ThickeningMixing

Chamber

Anaerobic Digestion

Secondary Anaerobic Digestion

Sludge Dewatering

SIDSTREAM RETURNS

PRE

AN

OX.

CRYSTALLIZATION

Secondary Sludge

Thickening

Campañas analíticas

• Para determinar laeficiencia en la eliminaciónde P en la línea de agua.

• Para estudiar los procesosde precipitación en la líneade lodos.

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Eliminación de P en la línea de aguas = 76%

SIDSTREAM RETURNS

SIDESTREAM RETURNS

Primary Settling

Secondary Settling

Primary Sludge

ThickeningMixing

Chamber

Anaerobic Digestion

Secondary Anaerobic Digestion

Sludge Dewatering

SIDSTREAM RETURNS

PRE

AN

OX.

CRYSTALLIZATION

Secondary Sludge

Thickening

Estudio viabilidad recuperación de P

9

37.8

163.2

87.599.2

84.6

1.3

PO4-P (mg/L)

Mg2+ (mg/L)

Ca2+ (mg/L)

34.9 16024.4 98.5

56.1 159

15.0 69.912.2 63.3

La mayor disponibilidad de P

tiene lugar en la cámara de mezcla.

El punto de mayor pérdida de P es el

digestor anaerobio

13% P que entraen la línea de

lodos estádisponible para

su recuperación

La EDAR de Calahorra se ha simulado con el softwareDESASS© usando los datos experimentales obtenidos.

Se propusieron diferentes estrategias para:

• Reducir la alta precipitación de P observada en el digestor. • Obtener una corriente con una elevada concentración de fosfato que

pueda ser usada en una cristalización posterior.

Configuración optima:

Configuración óptima de la EDAR para la recuperación de P

ELUTRIACIÓN DEL FANGO MIXTO EN EL ESPESADOR DE GRAVEDAD

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SIDESTREAMRETURNS

SIDESTREAMRETURNS

PrimarySettling

SecondarySettling

PrimarySludge

ThickeningMixing

Chamber

AnaerobicDigestion

SecondaryAnaerobicDigestion

SludgeDewatering

PRE

AN

ÓX.

Elutriation flowCRYSTALLIZATION

Digestion flow

SecondarySludge

Thickening

SIDESTREAMRETURNS

CRYSTALLIZATION

Validación de la nueva configuración

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79.3

122

100100

80.3

1.8

PO4-P (mg/L)

Mg2+ (mg/L)

Ca2+ (mg/L)

47.1 16422.2 120

49.0 199

14.2 81.04.3 80.8

Eliminación de P promedio en la línea de aguas= 78%

25% del P que entra en la

línea de lodosestá

disponiblepara su

recuperación

Disminuye el P que se perdía en la

digestión anaerobia

ConvencionalPhosphorus lost (gP/kg sludge):Precipitation in the digester 9,5Total P lost 13,8Phosphorus available (gP/kg sludge):Primary sludge overflow 0,4Total P available 2,1%P available 13

Sin elutriación

Validación de la nueva configuración

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Con elutriación

La pérdida de P en el digestor anaerobio se

reduce en un 43%

La disponibilidad de P en el sobrenadante del espesador

era casi 4 veces mayor

NuevaPhosphorus lost (gP/kg sludge):Precipitation in the digester 5,0Total P lost 10,8Phosphorus available (gP/kg sludge):Primary sludge overflow 1,5Total P available 3,6%P available 25

Fases del proyecto1. Gestión integral del P en la EDAR para su recuperación.

2. Diseño e implementación de la planta de recuperación de P.

3. Validación de estruvita.

4. Ensayos de aplicación de estruvita.

5. Viabilidad económica

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Diseño e implementación del proceso de cristalización

Diseñado para tratar 20 m3/d (HRT=2,5h)

El reactor se compone de:• Una zona de reacción agitada donde la

precipitación tiene lugar.• Zona de sedimentación para mantener las

partículas dentro del reactor.

El reactor se opera de forma continua en lafase líquida y de forma discontinua en lafase sólida.

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Operational parameter Set ValuepH 8.7Molar ratio (Mg/P) 1.6

Inlet flow (m3/d) 12.5Reaction zone HRT (h) 4.0Total HRT (h) 9.8Agitator speed (rpm) 55[Mg2+] (mg Mg/L) 4800

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Implementación de la planta de recuperación de estruvita

Análisis del proceso

99,1

PO4-P (mg/L)

Star

t-up

<10

9,5 kg/d estruvita–1,2kgP/dia

Struvite

Eficiencia de precipitación = 88%

Se recupera el 86% de la estruvita cristalizada

Operational parameter Set ValuepH 8.7Molar ratio (Mg/P) 1.3

Inlet flow (m3/d) 20,0Reaction zone HRT (h) 2.5Total HRT (h) 6.1Agitator speed (rpm) 69[Mg2+] (mg Mg/L) 4800

En operación desde mayo de 2015

40% del caudal del sobrenadante

Validación de la estruvitaCaracterísticas de los cristales obtenidos

Microscopia electrónica SEM-EDAXmuestra que la estruvita es elprincipal producto

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12,1% P5,7% N9,0% Mg 6.8 % Ca

0,8 %

Carbono orgánico total(TOC)

Pureza de la estruvita≈ 91%

Requisitos establecidos desde la Plataforma (ESPP ):

P: 10.0-13.9% MgO: 13.1-18.1% N: 4.6-6.3% TOC < 2%

Tamaño de partícula entre 540-806 μm

Validación de la estruvitaCaracterísticas de los cristales obtenidos

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Requisitos propuestos (ESPP): Cd: 60 mgCd/kgP2O5 Cr(VI): 2 mg/kg dry matter Hg: 2 mg/kg dry matter Ni: 120 mg/kg dry matter Pb: 150 mg/kg dry matter As: 60 mg/kg dry matter

Requisitos propuestos (ESPP): Organic contaminants (limits):

PAHs: 6 mg/kg dry matter Salmonella spp: 0 in 25g E. coli: 1000 CFU/g Enterococos: 1000 CFU/g

RD 1310/1990 (Sludge on

land)

RD 506/2013 Fertilizers

Conventional fertilizer

Struvite obtained

Zn 2500 1000 166 <2Cd 20 3 7.4 <3Cr 1000 300 89.5 <2Cu 1000 400 - <2Ni 300 100 14.8 <3Pb 750 200 2.9 <6

All measurements in mg/kg of dry matter

Cumple con los requisitos

Fases del proyecto1. Gestión integral del P en la EDAR para su recuperación.

2. Diseño, construcción e implementación de la planta de recuperación de P.

3. Validación de estruvita.

4. Ensayos de aplicación de estruvita.

5. Viabilidad económica

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Ensayos agronómicos de aplicación de la estruvita

ObjetivoEstudiar si la aplicación de la estruvita mejora la calidad y el rendimiento del cultivo de patata y trigo.

1. Comparación entre la estruvita y la fertilizaciónconvencional.

2. Analizar que estrategia de abonado es mejor: estruvita como abonado de fondo o estruvita sola (fondo y cobertera).

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Ensayos de aplicación agrícola Programas de fertilización empleados:

Patata

Trigo

Trt. Nº Descripción Concent.(NPK) % Tipo Dosif (kg/ha) Aplicación1 STRUVITE 5,7-12,6-0 GR 1170 Fondo y cobertera

2

STRUVITE 5,7-12,6-0 GR 1100 FondoSOLUCROS 0-0-51 GR 140 FondoUREA 46-0-0 GR 150 CoberteraLIKI-K 3-0-32 SL 10 Cobertera

3

HEROGRA ABOSOL 11-11-11 L 1000 FondoUREA 46-0-0 GR 150 CoberteraLIKI-K 3-0-32 SL 10 Cobertera

Trt. Nº. Descripción Concent (NPK) % Tipo Dosif (kg/ha) Aplicación1 STRUVITE 5,7-12,6-0 GR 921 Fondo y cobertera

2STRUVITE 5,7-12,6-0 GR 631,6 FondoUREA 46-0-0 GR 150 CoberteraLIKI-K 3-0-32 SL 2 cobertera

3

HEROGRA ABOSOL 11-11-11 L 300 FondoUREA 46-0-0 GR 150 CoberteraLIKI-K 3-0-32 SL 2 Cobertera

Resultados: Rendimiento del cultivo

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RDTOKg/ha

RDTOIncrem.

Struvite 46822.2 105.5

Struvite+conventional

47216.7 106.2

Conventional 44377.8 100.0

PATATA: Resultados positivosen rendimiento y calidad

RDTOKg/ha

RDTOIncrem

Struvite 5060.5 105.8Struvite+

conventional4639.2 97.4

Conventional 4764.4 100.0

TRIGO: Resultados positivosen rendimiento

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En las condiciones de este estudio, la estruvita producida, sola o encombinación con otros fertilizantes, es capaz de obtener una calidad y unrendimiento similar a la fertilización convencional.

Debe considerarse como un fertilizante fosforado y optimizar su uso encombinación con otros fertilizantes para completar las necesidades de NPKde la fertilización convencional.

Es necesario seguir investigando:

- Continuidad del estudio en estas mismas parcelas para ver el efecto de ladisponibilidad del P para la planta a lo largo de diferentes campañas.

- Analizar otros cultivos y otro tipo de suelos con diferente textura y pH.

Ensayos de aplicación agrícola

Fases del proyecto1. Gestión integral del P en la EDAR para su recuperación.

2. Diseño, construcción e implementación de la planta de recuperación de P.

3. Validación de estruvita.

4. Ensayos de aplicación de estruvita.

5. Viabilidad económica

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Validación del procesoAnálisis económico

A nivel interno:

Costes de inversión: 136.202 €

En un periodo de 4 años y medio se recupera la inversión

Costes/ahorros €/kgPConsumo de cloruro de magnesio 1,42 -Consumo de hidróxido de sodio 5,00 -Gastos mantenimiento equipos 3,89 -Producción de estruvita 2,39 +Reducción de la producción de lodos 3,41 +Polielectrolito no consumido 3,66 +Ahorro energético 77,13 +

76,28 +

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Teniendo en cuenta también los aspectos medioambientales:

1. Emisiones de CO2 evitadas por el ahorro energético conseguido y por el transporte y fabricación de fertilizantes suman 81,11 Ton CO2/año

2. Tras 15 años de vida útil, el proyecto genera:- beneficio económico de 316.788€- beneficio ambiental de 857.568€ (por evitar el vertido adicional de P al cauce público)

viabilidad tanto económica como medioambiental.

3. La duración de los contratos de explotación dificulta que haya un incentivo económico para realizar estas inversiones

Validación del procesoAnálisis económico

Con la elutriación en el espesador de gravedad del lodo dela cámara de mezcla se consigue:• Reducir el P que entra a la digestión anaerobia minimizando los

problemas de precipitación.• Incrementar la disponibilidad de P en el espesador de gravedad de

0.4 a 1.5 g P/kg lodo.

La cristalización del sobrenadante del espesador degravedad:• Muestra una buena precipitación del P y buenas eficiencias de

recuperación• Buenas características del producto obtenido.

Se incrementarían los beneficios del proceso:• Usando dos corrientes: sobrenadante del espesador y el escurrido

de la centrífuga.

Conclusiones

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Conclusiones

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Los ensayos agrícolas muestran una buena respuesta de laestruvita como fertilizante.

El estudio de viabilidad económica muestra: una capacidad de recuperación de la inversión en 4,5 años. el valor ambiental de esta recuperación el beneficio a lo largo de la

vida útil del proyecto es muy importante.

Todavía es necesario abordar: aspectos de mercado (precio, tamaño, aceptación consumidores…) que la legislación avance para que pueda tener salida el producto

en el mercado (Revision EU Fertilizer regulation EC 2003/2003).

silvia.donate@dam-aguas.es

www.phorwater.eu

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