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

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 fertilizante

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

Versió amb diverses seccions retallades, per drets de l'editorIn 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 fertilizantesPostprint (published version

Estudio de la biosorción multimetálica con raspo de uva mediante técnicas voltamperométricas

El marco legal relativo a la cantidad de metales pesados permitidos en los vertidos de agua se encuentra, desde hace algunos años, en un continuo proceso de redefinición. Por ello, se hace necesario investigar el desarrollo de sistemas eficaces tanto desde el punto de vista ecológico como económico, en previsión de las necesidades futuras. Dentro de estos sistemas, la biosorción ha resultado ser una de las alternativas más atractivas ya que supone la revalorización de residuos vegetales que, en otro caso se incineraría. Así, el objetivo general de este proyecto no es otro que el de estudiar el proceso de biosorción de mezclas multimetálicas de cobre, cinc, cadmio y plomo en combinación binaria, ternaria y cuaternaria a través de columnas de lecho fijo rellenas de raspo de uva. Dado que las muestras, especialmente las aguas de lavado de procesos de recubrimiento o en casos de lixiviados de suelos contaminado, pueden presentar concentraciones de analito del orden de partes por billón (mg/m3), un buen método es analizarlas mediante voltametría de redisolución anódica con un electrodo de mercurio en configuración HDME (Hanging Drop Mercury Electrode), ya que permite la determinación de los metales estudiados en dicho rango e incluso hasta concentraciones de partes por trillón (g/m3) en algunos casos. Cabe destacar la existencia de otros métodos de análisis para determinar concentraciones de metales, pero mientras unos no son suficientemente sensibles como es el caso de las técnicas potenciométricas o de la absorción atómica, otros que alcanzan estos límites de detección conllevan un coste económico elevado como por ejemplo la espectrometría de masas con fuente de plasma de acoplamiento inductivo (ICP-MS). Los resultados obtenidos a partir de las curvas de ruptura han permitido establecer una serie de afinidad entre el metal y el raspo de uva así como conocer mejor los efectos al tratar una mezcla multimetálica tales como la sobreconcentración o la reducción del volumen de efluente capaz de tratar. De la misma manera, se ha podido comprobar la corrección de los datos experimentales mediante el modelo de Thomas y se ha calculado la eficiencia de eliminación y la eficiencia de regeneración por desorción ácida de las columnas

Assessment of two-stage anaerobic digestion of blackwater and kitchen waste for reducing environmental impact of residential buildings

In recent years, much attention has been directed towards municipal waste management since these residues has become a global challenge with increasing public health, environmental, social, and economic costs. Therefore, there is an urgent need to adopt widely accepted sustainable alternatives and circular economy approaches. In that sense, the decentralized waste management approach has become a feasible and sustainable strategy to valorise and minimize wastes at source. Among the available technologies, anaerobic digestion is widely used as it allows to recover energy in form of biogas from organic waste. This study proposes a decentralized system based on a two-stage anaerobic digestion for the joint valorisation of organic wastes -blackwater and kitchen wastes-in residential buildings. In the first stage (dark fermentation), different ratios of blackwater:kitchen waste were assessed and a maximum volatile fatty acids production of 5000–7000 mg L-1 was reached when 5 kg of black water and 0.30 kg of kitchen waste were added to the system. Then, during second stage, the volatile fatty acids rich stream was valorised in an upflow anaerobic sludge blanket reactor resulting in a biogas production of 5.45 ± 1.34 L d-1, containing 75.6 ± 7.3% of methane and 22.8 ± 5.7% of carbon dioxide while reporting a low content of impurities - 0.02% of hydrogen sulphide and 0.002% of hydrogen -.Peer ReviewedPostprint (published version

Nutrients recovery from treated secondary mainstream in an urban wastewater treatment plant: a financial assessment case study

This study presents the financial assessment for implementing an ammonium and phosphate simultaneous recovery process based on the use of calcium activated synthetic zeolites in a large urban Waste Water Treatment Plant (WWTP) located in the Metropolitan Area of Barcelona. A calcium activated synthetic zeolites was selected, after a benchmarking analysis, as it reported capability for simultaneously recover ammonium and phosphate by a combined mechanism of ion exchange for ammonium and formation of insoluble mineral phase for phosphate. The loaded sorbent, rich in ammonium and phosphate, can be used as slow-release fertilizer. Financial indexes such as the net present value, the internal return rate, the return of investment and the payback period were calculated concluding that the integration of a zeolite-based sorption treatment stage in the main stream is economically feasible, with a reasonable payback period. The need, to achieve low-levels of P and N on the discharged waters and the need to develop more sustainable WWTP facilities indicate that the deployment of nutrient recovery solutions will be encouraged. The sensitivity analysis carried out to define the critical parameters of the economic performance of the technology allows concluding that the main variable in the viability of the nutrient recovery unit is related to the nutrients sorbent, both in the cost of purchase and in the market for the sorbent loaded with nutrients.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Recovery of ammonium by powder synthetic zeolites from wastewater effluents: optimization of the regeneration step

Nitrogen recovery and valorization is gaining interest due to the current need for nitrogen removal, so it is of great interest that ammonium-selective sorbents be evaluated. In this study, a zeolitic material synthesized from coal fly ash (Ze–Na) in sodium form as well as its modification to potassium form (Ze–K) were evaluated as sorbent materials for the recovery of ammonium from wastewater effluents. The sorption performance was assessed through three consecutive sorption-desorption cycles reporting opposite behavior in terms of ammonium sorption capacity. Decreasing in the case of Ze–Na and to slightly increase for Ze–K due to alkaline activation of zeolite surface. The maximum sorption capacities obtained were 109 ± 4 mg NH4/g and 33 ± 1 mg NH4/g for Ze–Na and Ze–K, respectively. It is important to point out that in the case of Ze–Na, the maximum sorbent capacity was obtained during the first sorption cycle whereas in the case of Ze–K, it was obtained during the last working cycle due to the alkaline regeneration. Kinetic studies showed that after every regeneration step, the sorption kinetics turn faster as alkaline desorption increased the zeolite-specific surface, thus increasing the size of porous and enhancing the diffusion through the particle. Results obtained indicate that sorption capacity decreased significantly after every working cycle using Ze–Na whereas Ze–K followed the opposite behavior despite its initial lower sorption capacity.Peer ReviewedPreprin

Phosphate recovery from treated municipal wastewater using hybrid anion exchangers containing hydrated ferric oxide nanoparticles

BACKDROUND This study presents the evaluation of two ion exchangers (granular and fibrous) impregnated with nanoparticles of hydrated ferric oxide (HFO) as selective sorbents for phosphate recovery from aqueous solutions. The hybrid impregnated anion exchangers combine the durability and mechanical strength of a polymeric weak base anion exchange resin with the high sorption affinity of HFO towards phosphate species. Dynamic experiments were carried out and data obtained were fitted to a well-known fixed-bed sorption model. RESULTS The theoretical sorption capacities reported by the Thomas model were in good agreement with the breakthrough experimental capacities determined from the sorption data. The sorption capacity decreased when using wastewater treatment plant secondary effluents in comparison with synthetic water mainly owing to the presence of organic matter and suspended solids. The phosphate sorbed on the impregnated ion exchangers was efficiently desorbed by using a 0.5 mol L-1 sodium hydroxide solution, reporting up to 90% of recovery. CONCLUSION The reusability of sorbents was evaluated through five sorption–desorption working cycles. Fiban-As was able to operate up to three consecutive cycles with good sorption performance while a significant decrease of sorption capacity after the first cycle was observed for FO36 resin. © 2017 Society of Chemical IndustryPreprin

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

Versió amb diverses seccions retallades, per drets de l'editorIn 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 fertilizante

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

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 fertilizante

Phosphate recovery from waste water treatment plant by commercial ion exchangers: Characterization and modelling

In the last years were performed a huge number of research related to phosphorus removal and recovery from waste water in order to reuse this element and also to avoid eutrophication. Among the different techniques studied, adsorption is nowadays one of the most interesting alternatives. The aim of this project is to characterize the overall adsorption performance of two commercial ion exchangers, the resin Lewatit FO36 and the fibre Fiban-As (FAs), both prepared for arsenic selective adsorption but, due to their chemical similarity, can be also used for phosphate adsorption. Equilibrium and kinetics studies were performed through the batch experiments and the dynamic studies were carried out by the fixed-bed column experiments. The experimental study covered from the most simple monocomponent synthetic water (phosphate) to the complex real water from waste water treatment plant (WWTP). Equilibrium experimental data was well described by Langmuir isotherm and reported sorption capacities between 89 and 163 mg/g and the effect of interfering anions on sorption capacity was evaluated through factorial experiments concluding that both sorbents are highly selective to phosphate compared with bicarbonate, sulphate, nitrate and chloride. Furthermore, the sorption kinetic for both sorbents is controlled by the particle diffusion stage and follows a pseudo second order reaction model. The efficiency in the phosphate removal was described by Thomas, Yoon-Nelson and Bed Time Service Time model reporting capacities between 31 and 5 mg/g. Finally, the adsorbate regeneration efficiency was evaluated by five sorption cycles obtaining good results in the case of the fibre Fiban-As and a decrease of more than 60% of phosphate adsorption capacity in the first regeneration for resin FO36