ESTRUVITA: ESE ORO BLANCO PROCEDENTE DE LOS

ESTRUVITA: ESE ORO BLANCO PROCEDENTE DE LOS

STRUVITE: WHITE GOLD
FROM WASTE
El objetivo general del proyecto REVAWASTE es la gestión
sostenible de un amplio espectro de residuos (residuos
industriales, biomásicos, ganaderos y agro-industriales
junto con la fracción no reciclable procedente de centros de
tratamiento de residuos en una planta integrada. Este objetivo
se logrará mediante el desarrollo tecnológico y la aplicación
práctica del concepto de Planta Mixta. Tal desarrollo ayudará
a llevar a cabo una nueva estrategia de gestión de los
residuos, basada en la separación, pre-tratamiento, reciclado y
valorización de los mismos.
The general objective of the REVAWASTE project is the
sustainable management of a wide range of waste types
(industrial, biomass, livestock and agro-industrial waste),
along with the non-recyclable fraction from waste
treatment centres, at an integrated plant. This objective
will be achieved through the technological development
and practical implementation of the Mixed Plant concept.
The development of this concept will help in the execution
of a new waste management strategy based on separation,
pretreatment, recycling and recovery.
Los residuos han sido tradicionalmente considerados como un problema, tanto para quien los genera como para la sociedad en general. Pero hoy en día que muchos productos naturales escasean,
los residuos se han convertido en una fuente interesante de ciertas
materias primas. Es el caso del fósforo.
Waste has traditionally been thought of as a problem, both
for those who generate it and society in general. But now
that there is a scarcity of many products, waste has become
an interesting source of certain raw materials. An example is
phosphorous.
El fósforo es un recurso no renovable y un importante macronutriente del que depende la vida y para el cual no hay sustituto,
nada que pueda ser sintéticamente creado para reemplazar este
componente vital en todos los procesos biológicos. Además, el
fósforo es uno de los nutrientes esenciales para el crecimiento de
las plantas. Las funciones que ejerce no pueden ser realizadas por
ningún otro nutriente y se requiere un adecuado suplemento de
fósforo para que la planta crezca y se reproduzca en forma óptima. Es clasificado como un nutriente primario, razón por la cual es
comúnmente deficiente en la producción agrícola y los cultivos lo
requieren en cantidades relativamente grandes. Debido a esto, el
interés por recuperar el fósforo de los residuos, no solo de eliminarlo, está cobrando cada vez mayor interés entre las sociedades
industrializadas.
Phosphorous is a non-renewable resource and an important
macronutrient. It is vital for life and there is no available
substitute, nothing that can be synthetically created to
replace this vital component of all biological processes. The
functions it carries out cannot be carried out by any other
nutrient and an adequate supply of phosphorous is required
for optimum plant growth and reproduction. It is classified
as a primary nutrient and as such is commonly deficient
in agricultural production. Crops require phospherous in
relatively large quantities. All this has led to a growing
interest in recovering, rather than simply removing,
phosphorous from waste in industrial societies.
El Proyecto REVAWASTE es un proyecto innovador por las mejoras que plantea sobre el estado actual de la técnica y permitirá
desarrollar productos para el sector de los fertilizantes, implicando un beneficio directo para las empresas y organizaciones
dedicadas a la producción y distribución de dichos productos. Su
desarrollo permite, asimismo, contribuir a la mejora del medio
ambiente.
Sostenibilidad en la gestión de residuos
Durante los últimos años, la intensificación de las explotaciones
ganaderas ha supuesto un incremento de las cantidades de productos de desecho de estos animales, los cuales presentan graves
problemas ambientales si no se gestionan adecuadamente. Solo
en España existen aproximadamente 48 millones de cabezas de
ganado (entre porcino y bovino) que representan el 14% de la cabaña de la UE y llegan a generar cerca de 76 Mt de estiércol.
El enfoque convencional dado a las deyecciones ganaderas es
la aplicación directa del estiércol a la tierra. Sin embargo, estas
prácticas resultan en la pérdida de nutrientes y dan lugar a graves
problemas ambientales. Los problemas más comunes vinculados
directamente a la eliminación de estiércol sin tratar son: la formación de olores, emisiones de metano y amoníaco, la liberación
de nutrientes y agentes patógenos que pueden afectar la salud
humana y los problemas estéticos. Además, debido a la concen-
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The REVAWASTE project (LIFE12 ENV/ES/000727) proposes
the global exploitation of a wide range of waste. The aim is,
apart from generating energy through biomethanisation and
pyrolysis, to extract nutrients that are essential for plants, of
which phosphorous is an outstanding example, through the
crystallisation of a mineral: struvite.
REVAWASTE is an innovative project due to the
enhancements it proposes over current technology and it will
enable the development of products for the fertiliser sector.
This implies a direct benefit for companies and organisations
operating in the production and distribution of such
products. Moreover, the development of such products also
provides environmental benefits.
Sustainable waste management
In recent years, intensification of livestock operations has
led to an increase in waste products from these animals and
such waste represents a serious environmental problem
if it is not properly managed. In Spain alone, there are
approximately 48 million livestock animals (pigs and cattle),
which accounts for 14% of the total European livestock herd.
These animals produce around 76 Mt of manure.
The conventional approach to dealing with livestock
excrement is the direct application of manure to the soil.
However, this practice results in a loss of nutrients and gives
rise to serious environmental problems. The most common
problems directly associated with the disposal of untreated
manure are: odours, methane and ammonia emissions, the
release of nutrients and pathogenic agents that can affect
human health, and aesthetic issues. Moreover, owing to the
concentration and location of livestock operations, around
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Con el proyecto REVAWASTE (LIFE12 ENV/ES/000727) se propone el
aprovechamiento integral de un amplio abanico de residuos, extrayendo de ellos, además de energía mediante biometanización y pirólisis, nutrientes esenciales para las plantas, entre los que destaca
el fósforo, mediante la cristalización de un mineral: la estruvita.
Gestión y tratamiento de residuos | Waste Management & Treatment
ESTRUVITA: ESE ORO BLANCO
PROCEDENTE DE LOS RESIDUOS
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Gestión y tratamiento de residuos | Waste Management & Treatment
Figura 1. Balsa de almacenamiento de digestato.
Figure 1. Digestate storage basin.
30% of the manure generated cannot be
applied to agricultural land.
This problem could be converted into
an opportunity if we bear in mind that
livestock manure is a renewable resource
which, if correctly managed, can serve as
raw material for the fertiliser industry.
tración y a la situación de las explotaciones, aproximadamente un
30% de los estiércoles generados no disponen de terreno agrícola
para su aplicación.
Esta problemática puede ser convertida en una oportunidad si se
tiene en cuenta que las deyecciones ganaderas son un recurso renovable y que si se gestionan correctamente, pueden servir como
materia prima a la industria de fertilizantes.
La tecnología de digestión anaerobia (DA) promueve la bioconversión de los residuos ganaderos, aparte de otros residuos de naturaleza orgánica como pueden ser los de la industria agroalimentaria,
en metano y dióxido de carbono, permitiendo su valorización energética.
Sin embargo, la digestión anaerobia no reduce significativamente la
concentración de nitrógeno o de fósforo, siendo fundamental realizar en todos los casos un balance de nutrientes antes de la aplicación del digestato a las tierras de cultivo (Figura 1), con el fin de
minimizar el impacto ambiental y, en muchos casos, imprescindible
acudir a técnicas de reducción o recuperación de estos nutrientes.
Por otra parte, la recuperación de nutrientes de las deyecciones
ganaderas y otros residuos orgánicos digeridos anaeróbicamen-
Anaerobic digestion (AD) technology
enables the bioconversion of livestock
waste, as well as other organic waste, such
as that of the agro-food industry, into
methane and carbon dioxide,
thereby facilitating energy recovery.
However, anaerobic digestion does not
significantly reduce the concentration of
nitrogen or phosphorous. It is vital in all
cases to carry out nutrient balancing
prior to the application of the digestate
to crops (Figure 1), for the purpose of
minimising environmental impact. In
many cases it is essential to use nutrient reduction or
recovery techniques.
Nutrient recovery from livestock manure and other
anaerobically digested organic waste can be a source of
revenue. The crystallisation of nitrogen and phosphorous
in the form of magnesium phosphate and ammonium
phosphate hexahydrate (MgNH4PO4• 6H2O), also known as
MAP (magnesium ammonium phosphate) or struvite, is one
of the techniques that can be used to remove and/or recover
nutrients in the digestate. The result is a white crystalline
product that can be used as the base for high quality ecofriendly fertilisers (Figure 2).
In addition, the recovery of phosphate and ammonium in the
form of struvite also enables the sustainable administration
of a natural non-renewable resource, phosphate, and an
improvement in the quality of aquatic ecosystems.
Struvite formation
The effluent obtained subsequent to the anaerobic digestion
stage (Figure 3) contains large quantities of nutrients, which
makes it suitable for application to land from the nutritional
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Figura 2. Cristales de estruvita, imágenes SEM: a)
1000x; b) 5000x. Figure 2. SEM images of struvite
crystals: a) 1000x; b) 5000x.
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Formación de la estruvita
El efluente obtenido tras la etapa de digestión anaerobia (Figura
3) contiene elevadas cantidades de nutrientes, lo que le hace adecuado para su aplicación al terreno, desde el punto de vista nutricional. En este caso, como ya se ha comentado, se suele proceder
a su utilización de forma directa como biofertilizante en suelos y
bioestimulante en plantas.
Sin embargo, existen zonas sensibles en las que el uso directo no
es aconsejable, por lo que la opción es recuperar estos nutrientes y
obtener una enmienda fertilizante que puede ser una alternativa a
los productos comerciales.
Son varias las tecnologías de recuperación de nutrientes que han
surgido y que en algunos de los casos están en fase de desarrollo,
entre las que destacan las de recuperación de nitrógeno mediante stripping, y las de recuperación conjunta de nitrógeno y fósforo
como estruvita. No obstante, mientras que la tecnología de stripping se aplica prácticamente para la eliminación de amonio, la
precipitación de estruvita tiene la ventaja de recuperar de forma
simultánea amonio y fósforo.
La estruvita se forma por la combinación de magnesio, fosfato y
amonio en iguales cantidades molares. Se han encontrado precipitados espontáneos de este mineral en digestores anaerobios y en
las líneas de circulación de aguas residuales municipales.
Figura 3. Efluente digerido | Figure 3. Digested effluent.
However, the direct use of this effluent is not
recommendable in sensitive areas and the best option is
to recover these nutrients and obtain a soil amendment
fertiliser to be used as an alternative to commercial
products. Several nutrient recovery technologies have
emerged, some of which are at the development stage.
Standout technologies include nitrogen recovery by means
of stripping and technologies geared to the combined
recovery of nitrogen and phosphorous as struvite. Although
stripping is applied in practice for ammonium removal,
struvite precipitation has the advantage of recovering
ammonium and phosphorous simultaneously.
Struvite is formed by the combination of magnesium,
phosphate and ammonium in equal molar quantities.
Spontaneous precipitation of this mineral has been
found to occur in anaerobic digesters and in municipal
wastewater circulation lines.
Several factors have an influence on struvite precipitation:
the organic composition of the initial waste effluent
(organic matter, presence of detergents, ionic strength),
pH, the molar Mg:N:P ratio, the degree of supersaturation,
the temperature and the presence of foreign ions, such as
calcium.
Depending on the composition of the waste effluent and
the process parameters selected, struvite precipitation
can be used to remove ammoniacal nitrogen (NH4-N),
phosphate (PO4-P) or both. Ammoniacal nitrogen is
normally found in wastewater with an excess of Mg and
P-PO4. Therefore, in order to induce struvite formation,
reactor ions, such as Mg and P-PO4, should be added to the
reactor.
Preliminary studies carried out by CARTIF have shown
that the optimum pH for struvite crystallisation is within
the range of 9.5-10.5; that
efficiency in phosphorous
removal increases on
optimising the Mg/P ratio;
that the optimum Mg/P ratio
is 1:3; and that an excess of
magnesium in the medium
has no significant effect
in terms of enhancing the
crystallisation process.
On the other hand, the
presence of the calcium ion
can disrupt the morphology
and purity of the final
product, even if it does
not affect phosphorous
precipitation. With this data,
a pilot crystallisation reactor
was designed (Figure 4) for
the purpose of obtaining
essential information for the
creation of a crystallisation
plant with a struvite
production capacity of 3 t/
day, within the framework of
the REVAWASTE project.
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Además, la recuperación de fosfato y amonio en forma de estruvita
permite, a su vez, la administración sostenible de un recurso natural no renovable como el fosfato, y la mejora de la calidad de los
ecosistemas acuáticos.
point of view. As previously mentioned, it is common at this
point to use it directly as a bio-fertiliser for soils or as a biostimulant for plants.
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te puede llegar a ser una fuente de ingresos. La cristalización de
nitrógeno y fósforo en forma de fosfato de magnesio y amonio
hexahidratado (MgNH4PO4• 6H2O) también conocido como MAP
(magnesium ammonium phosphate) o estruvita, es una de las posibles técnicas utilizadas para eliminar y/o recuperar los nutrientes del digestato, obteniéndose un producto cristalino blanco que
puede ser aplicable como base en fertilizantes ecológicos de alta
calidad (Figura 2).
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Son varios los factores que influyen en la precipitación de la estruvita: la composición química del
efluente residual de partida (la materia orgánica,
la presencia de detergentes, la fuerza iónica), el
pH, la relación molar Mg:N:P, el grado de sobresaturación, la temperatura y la presencia de iones
extraños, como el calcio.
Dependiendo de la composición de los efluentes
residuales y de la selección de los parámetros
del proceso, la precipitación de estruvita se puede utilizar para eliminar el nitrógeno amoniacal
(NH4-N), fosfato (PO4-P) o ambos. El nitrógeno
amoniacal normalmente se encuentra en las
aguas residuales en exceso con respecto al Mg y
al P-PO4, por lo tanto, con el fin de inducir la formación de estruvita se deben añadir al reactor
iones como: Mg y P-PO4.
Estudios previos realizados por CARTIF han demostrado que el pH óptimo para la cristalización de
estruvita está dentro del rango de 9.5-10.5; que la
eficiencia en la eliminación del fósforo aumenta
al hacerlo la relación Mg/P; que la relación óptima Mg/P es 1.3 y que un exceso de magnesio en el
medio no tiene un efecto significativo en la mejora
del proceso de cristalización. Por otro lado, la presencia del ión calcio puede perturbar la morfología
y pureza del producto final, aunque no afecta a la
precipitación del fósforo. Con estos datos se ha procedido a diseñar un reactor piloto de cristalización
(Figura 4) con el que se pretende extraer información esencial para la instalación de una planta de
cristalización de estruvita de 3 t/día de producción
en el marco del Proyecto REVAWASTE.
Uso de la estruvita como fertilizante
Las propiedades de la estruvita como fertilizante
han sido demostradas desde los años 60. Se han
efectuado muchas experiencias acerca de la utilización de la estruvita en diversos cultivos, en EE.UU., Alemania, Inglaterra Japón y
Egipto. Se ha encontrado que la estruvita, constituye un buen fertilizante de liberación lenta y aporta nutrientes fundamentales como
magnesio, nitrógeno y fósforo para la agricultura y la horticultura.
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Otro factor que apoya el uso de la estruvita como fertilizante es su
baja concentración en metales pesados comparado con la roca fosfórica usualmente empleada en la fabricación de fertilizantes sintético. Debido a su lenta liberación, la entrega de nutrientes se efectúa
lentamente y la planta los consume de acuerdo a sus requerimientos evitando así la lixiviación de dichos nutrientes y su llegada a las
masas hídricas, como puede ocurrir cuando se aplican fertilizantes
sintéticos. Se requiere, por tanto, menos frecuencia de aplicación y
no se produce la quema de la planta, aún a altas tasas de aplicación.
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Se ha demostrado que 1 kilogramo de estruvita por día es suficiente para fertilizar 2,6 hectáreas de tierra arable y dar un incremento
de la producción de granos secos de 9 toneladas. Debido a que la
estruvita es un fertilizante de liberación lenta, no produce ningún
daño al cultivo al
que es aplicado.
Su aplicación es
Dr. M. Dolores Hidalgo Barrio
sumamente efecCARTIF Centro Tecnológico
tiva sobre todo
CARTIF Technology Centre
durante el período de crecimiento
de los cultivos.
Figura 4. Reactor piloto de cristalización de estruvita
Figure 4. Pilot reactor for struvite crystallisation
Use of struvite as a fertiliser
The properties of struvite as a fertiliser have been
demonstrated since the 1960s. Many experiments on the
use of struvite on different crops have been carried out in
the USA, Germany, England, Japan and Egypt. It has been
found that struvite is a good slow release fertiliser and that
it provides vital nutrients such as magnesium, nitrogen and
phosphorous for agriculture and horticulture.
Another benefit of the use of struvite as a fertiliser is its
low heavy metal concentration compared to the phosphate
rock normally used in the manufacture of synthetic
fertilisers. Due to the fact that it is a slow release fertiliser,
nutrients are provided gradually and the plant consumes
them in accordance with its needs, thereby preventing
nutrient leaching and nutrients reaching water masses, as
can happen when synthetic fertilisers are applied. For this
reason, less frequent application is required and fertiliser
burn does not occur, even at high rates of application.
It has been demonstrated that 1 kilogram of struvite
per day is sufficient to fertilise 2.6 hectares of arable
land and results in an increase of 9 tonnes in dry
grain production. Because struvite is a slow release
fertiliser, it does not in any way damage the crop to
which it is applied. Struvite application is particularly
effective during crop growth stages.
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