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Avaliação do potencial de recuperação de fósforo por precipitação de estruvita a partir de dados reais de uma estação de tratamento de esgoto na Inglaterra através de software de equilíbrio químico

Resumo

O elemento Fósforo (P) está envolvido em uma série de processos vitais para a conservação de vida na Terra. Suas utilidades são diversas, variando desde uso medicinal até o emprego como fertilizante. Estudos indicam que se mantido a tendência de uso atual deste insumo, as reservas se extinguirão em 100 anos. Diante deste cenário, o desenvolvimento de metodologias alternativas para recuperação deste elemento em rejeitos industriais e domésticos é vital para viabilizar a disponibilidade do mesmo no futuro.

Assim, uma alternativa possível é a recuperação por meio de precipitação da estruvita. Todavia, para o desenvolvimento extensivo desta metodologia é necessário predizer, com precisão, em quais cenários a formação deste sal ocorrerá. Isso possibilitará o uso deste processo em escala industrial e a recuperação quantitativa deste insumo. Sendo assim, o presente trabalho tem como objetivo apresentar a possibilidade de utilização de um software de equilíbrio químico (Visual MINTEQ) para tal determinação.

Para este fim, o programa foi utilizado para avaliar e predizer o índice de saturação de soluções utilizadas na recuperação de fosforo por meio da precipitação de estruvita em uma estação de tratamento de esgoto (ETE) na Inglaterra. Em seguida, os dados obtidos com o método computacional foram comparados àqueles obtidos experimentalmente na planta da empresa britânica. Os resultados de indicie de saturação foram condizentes com a literatura e quando associados aos resultados obtidos experimentalmente na empresa corroboraram com a melhor recuperação. Porém, existem certas limitações do software na predição desta precipitação que devem ser levados em conta.

Introdução

O Fósforo (P) é um elemento químico essencial para a manutenção da vida no planeta Terra, com inúmeras aplicações na sociedade moderna. Seus usos vão desde prevenção de doenças, como a osteoporose, até o emprego como fertilizante. Apesar dessas inúmeras utilidades, não há um substituto natural para tal elemento (US GEOLOGICAL SURVEY, 2005). Pesquisas indicam que, se mantido o crescimento de demanda mundial desse elemento em 1,5% ao ano, as reservas economicamente viáveis, se extinguirão em, aproximadamente 100 anos (SHU et al., 2006). Dessa forma a recuperação de fósforo em resíduos, tanto residenciais quanto industriais, tem se tornado um tópico relevante de pesquisas, já que, se concretizada, essa etapa representaria o fechamento do ciclo deste elemento, quando aplicado como fertilizante, garantindo a futura disponibilidade desse composto.

Assim, a recuperação deste elemento é de suma importância para o estudo do tratamento de efluentes líquidos. Resumidamente, existem duas rotas comerciais disponíveis para a recuperação e/ou reutilização do P no tratamento de esgotos, são elas: recirculação do lodo na estação de tratamento de esgoto, por ser rico em nutrientes, ou a precipitação do fósforo na forma de estruvita ((NH4)MgPO4·6H2O). Estima-se que 36 milhões de toneladas de matéria seca são recicladas anualmente na Europa. Esse valor representa apenas 37% do total, o restante é incinerado ou destinado a aterros sanitários contaminando o solo (SOARES et al., 2014). Assim, a precipitação na forma de estruvita tem se levantado como uma excelente alternativa para a destinação do elemento fósforo, pois, além de reduzir sua disposição e inutilização na forma de rejeito, ainda possibilita o ganho financeiro quando utilizado como fertilizante.

O fosfato de magnésio amoniacal hexa-hidratado (MgNH4PO4.6H2O), conhecido como estruvita, é um mineral utilizado como fertilizante há mais de 150 anos (METCALF; EDDY, 2015). Pouco solúvel em água, esse composto é considerado um fertilizante de baixa taxa de liberação. Característica apreciável, pois se tratando de um fertilizante, sua reduzida taxa de solubilização nos solos limita a ocorrência de elevadas concentrações de nutrientes próximos às raízes das plantas e a, consequente, “queima” das mesmas. Além disso, esse aspecto também minimiza a perda de nutrientes pelo processo de lixiviação do solo. Todavia, a presença desse insumo no mercado global de fertilizantes é reduzida, devido majoritariamente ao seu alto custo.

OHLINGER et al. (1999) sustentam em seu estudo que o processo de precipitação da Estuvita pode ser dividido em dois estágios básicos, nominalmente nucleação e crescimento. A nucleação ocorre quando as espécies em solução se unem e geram embriões que formam os núcleos que darão origem aos cristais. O crescimento se inicia após esse processo inicial e continua até que o equilíbrio do sistema seja atingido. Em sistemas onde há continuamente a reposição de solução contendo os componentes formadores da estruvita o crescimento pode ocorrer de forma continuada (DOYLE; PARSONS, 2002). Determinados fatores alteram o equilíbrio químico que origina a precipitação, desejada ou não, desse composto. Dentre eles destacam-se o pH, a temperatura, a presença de outros íons na solução, como por exemplo o íon cálcio, e a concentração dos íons que compõem o produto (BOUROPOULOS; KOUTSOUKOS, 2000). Cada fator influencia em um determinado aspecto do processo de formação da estruvita, elevando ou reduzindo a probabilidade da precipitação desse composto no meio estudado.

Assim, softwares que se baseiam em cálculos de equilíbrio químico podem ser utilizados para predizer a viabilidade da precipitação. Tais métodos computacionais utilizam a constante de solubilidade dos sais estudados e da lei de equilíbrio das reações envolvidas, para verificar se há expectativa de cristalização no cenário descrito pelos parâmetros de entrada fornecidos pelo usuário. Esta conclusão é possível através do índice de saturação da solução. Este parâmetro indica quais os possíveis saís a serem precipitados no cenário descrito. Valores positivos para este índice indicam que a formação do sal estudado é possível e provável na solução. Porém é essencial salientar que, a formação dos cristais é influenciada também por uma série de fatores cinéticos não considerados pelos métodos computacionais, que se relacionam com a presença de sementes e a rugosidade das superfícies, propícios a nucleação. Assim, a precipitação dos sais pode não ocorrer, mesmo que os métodos computacionais indiquem sua ocorrência. Já valores negativos, representam o caso oposto àquele acima descrito.

Existem uma série de programas construídos para lidar com este tipo de condição, isto é, realizar cálculos de de equilíbrio. Dentre eles destacam-se três, são eles Visual MINTEQ (EPA, 2017), Struvite (OHLINGER & MAHMOOD, 2003) e OLI (OLI SYSTEMS, 2017). O primeiro e o último destes são softwares construídos para lidar com o cálculo do equilíbrio de forma ampla, ou seja, apresentam em seus resultados de saída o índice de saturação de uma série de sais que podem ser formados na solução apresentada. O segundo, por outro lado, foi construído especificamente para o estudo da estruvita. Os três softwares são indicados para o estudo realizado neste trabalho, todavia neste trabalho apenas os resultados do primeiro programa serão apresentados.

O Visual MINTEQ v3.1 é um programa de computador específico para cálculo de equilíbrio químico. Este software possui um extensivo banco de dados termodinâmicos que o permite elaborar e resolver cálculos de especificação, solubilidade e equilíbrio de sólidos e fases minerais dissolvidos em soluções aquosas. (ÇELEN et al., 2007). Este programa é a versão para Windows do MINTEQA2 originalmente desenvolvido pela US EPA e destaca-se por ser amplamente utilizado no meio acadêmico e por ser um dos único dos softwares de equilíbrio químico disponibilizado sem custos por seus desenvolvedores.

Portanto, o principal objetivo deste trabalho é avaliar a resposta do software de equilíbrio químico, Visual MINTEQ versão 3.1, na predição da viabilidade de precipitação de estruvita a partir de dados reais do percolado de estação de tratamento de esgoto. Tal análise foi construída com base no índice de saturação da solução, em cenários reais de pH e concentração de íons formadores. Além disso os dados obtidos pelo software serão comparados aos obtidos experimentalmente, visando-se avaliar se este software é eficaz no estudo da formação desse cristal.

Autores: Daniel Benjamin de Oliveira Dutra; Gustavo de Castro Salles e Cesar Rossas Mota Filho.