sistema Integrados de tecnogia de processo fermentacao Anaerobicas e Aerobicas

Abstrato

A digestão anaeróbica é uma tecnologia mundial para tratar correntes de resíduos orgânicos, principalmente devido à sua capacidade de produzir metano como energia renovável. No entanto, há um interesse crescente na recuperação de nutrientes (N e P), que, por razões ambientais e econômicas, foram identificados como uma característica fundamental nas plantas de digestão anaeróbica. O manuscrito apresenta uma visão abrangente sobre os recentes avanços nas tecnologias de recuperação de nutrientes aplicáveis ​​aos sistemas de digestão anaeróbica. A revisão enfoca a recuperação de N e P através do uso de digeridos como fertilizantes, precipitação de estruvita e sistemas biológicos como fitorremediação (ie cultivo de algas) e polifosfatos que acumulam organismos.

Palavras-chave: Digestão anaeróbia, recuperação de nutrientes, estruvita, fitorremediação, fertilizante.

Resumo

A digestão anaeróbica é uma tecnologia aplicada globalmente para o tratamento de resíduos orgânicos, principalmente devido à sua capacidade de produzir metano como fonte de energia renovável. No entanto, existe um interesse crescente na recuperação de nutrientes (N e P), que a partir do ponto de vista ambiental e económico tem sido identificada como um factor fundamental em estações de tratamento através de digestão anaeróbica. O presente manuscrito apresenta uma visão global dos recentes avanços nas tecnologias de recuperação de nutrientes aplicáveis ​​aos sistemas de digestão anaeróbica. A revisão concentra-se sobre a recuperação de N e P utilizando o digerido como fertilizante, precipitação estruvite e sistemas biológicos como ficoremediación (por ex. De culturas de algas) e polifosfatos organismos acumuladores.

Palavras-chave: Digestão anaeróbia, recuperação de nutrientes, estruvita, fitorremediação, fertilizante orgânico.

Resumo

A digestão anaeróbia é uma tecnologia mundialmente conhecida para o tratamento de resíduos orgânicos, principalmente devido a sua capacidade de produzir metano como energia renovável. No entanto, há um interesse crescente sobre a recuperação de nutrientes (N e P), que a partir de razões ambientais e econômicas têm sido identificados como elemento-chave em plantas de digestão anaeróbia. O presente manuscrito apresenta uma visão abrangente sobre os recentes avanços em tecnologias de recuperação de nutrientes aplicáveis para sistemas de digestão anaeróbia. O foco da revisão é a recuperação do N e P através do uso de fertilizantes, como digestates precipitação estruvite e sistemas biológicos, tais como phycoremediation (por ex, cultivo de algas) e organismos acumuladores de polifosfatos.

Palabras-chave: digestão anaeróbia, recuperação de nutrientes, estruvite, fitorremediação, adubo orgânico.

Cita: MS Romero-Güiza, Mata-Alvarez J, Chimenos Rivera JM, Astals Garcia S. Tecnologias de recuperação de nutrientes para sistemas de digestão anaeróbia: Uma visão geral. Rev.ion. 2016; 29 (1): 7-26.

Introdução

A digestão anaeróbica (AD) é uma importante tecnologia na emergente economia de energia verde [1]. As vantagens da AD em relação a outras tecnologias são: (i) tratamento econômico de resíduos orgânicos para efluentes e fluxos de resíduos sólidos; e (ii) alternativa energética / econômica no setor rural por meio da digestão de resíduos agrícolas e / ou energéticos [2, 3]. As plantas de AD são geralmente de grande porte, com capacidades de digestores que variam de algumas centenas de m ³ até vários milhares de m ³[4] Nas áreas urbanas, plantas de AD tratam principalmente lodo de esgoto e fração orgânica de resíduos sólidos urbanos (OFMSW) [5,6]; enquanto, as centrais rurais de biogás, centralizadas e na exploração, co-tratam o estrume animal e outros resíduos orgânicos adequados [3]. As centrais centralizadas desenvolvem-se habitualmente em zonas densamente povoadas de gado, ligadas a terras aráveis ​​acessíveis insuficientes (ou seja, a Europa) [7,8]; enquanto as fábricas na exploração se estão a interessar por regiões extensas com incentivos ao biogás (por exemplo, Estados Unidos e Austrália) [9]. No entanto, os usos do digestor doméstico começaram a aumentar nos países em desenvolvimento como fonte de energia / biogás. Nas usinas de biogás, o biogás pode, após a limpeza, produzir calor em um queimador de qualidade adaptado, ou eletricidade e calor em uma unidade combinada de calor e energia [8]. Contudo, 
Além de energia renovável, a DA de resíduos orgânicos produz um digestato que é uma mistura de matéria orgânica parcialmente degradada, biomassa anaeróbica e matéria inorgânica (incluindo nutrientes) [11]. O processo AD facilita a mobilização de nutrientes (N e P) da matéria orgânica para a fase líquida. N é convertido em amônio e P orgânico é hidrolisado a P solúvel [12,13]. A qualidade do digestor e a extensão da mobilização dependem dos três principais componentes do sistema de digestão anaeróbica: (i) a matéria-prima, (ii) o design do digestor e as condições operacionais, e (iii) pós-tratamento digerido [14]. Como exemplo, a Figura 1 ilustra as configurações de plantas de resíduos sólidos urbanos mais comuns (OFMSW) da fração orgânica. 
Hoje, a maioria das plantas de AD é focada em energia com pouca atenção na recuperação de nutrientes. No entanto, o aumento contínuo nos preços dos fertilizantes (principalmente formado por N, P e K) aumentou o interesse na recuperação de nutrientes a partir do digerido. Batstone e Virdis [15] afirmaram claramente que as novas estações de tratamento de águas residuárias devem: (i) alcançar as metas ambientais e de saúde pública existentes, (ii) recuperar a energia máxima das águas residuais e (iii) preservar e recuperar nutrientes para reutilização. Além disso, o sucesso econômico do investimento em plantas AD está estritamente relacionado às políticas de incentivo adotadas nos países. Na verdade, uma alta proporção de operadores de AD raramente vende digestivos acima dos preços de recuperação de custos, apesar de seu alto valor agronômico [9]. Portanto, tem proporcionado interesse e incentivos à recuperação de nutrientes dos efluentes da DA. Por exemplo,

Digerir a aplicação direta da terra 
Atualmente, usar o digerido como fertilizante orgânico ou condicionador do solo parece ser a melhor opção para a sua reciclagem [3,13,18]. O uso de digerido como fertilizante permite reciclar nutrientes e reduzir o uso de fertilizantes químicos [19]. No entanto, a qualidade do digerido deve ser cuidadosamente avaliada antes do uso [18].

O digestivo de alta qualidade para uso como fertilizante é definido por características essenciais como conteúdo declarado de nutrientes, pH, matéria seca e conteúdo de matéria seca orgânica, homogeneidade, pureza (livre de impurezas inorgânicas como plástico, pedras, vidro, etc). de material biológico (patogênico) e de poluentes químicos (orgânicos e inorgânicos) [20]. Do ponto de vista agrícola, os principais parâmetros a serem levados em consideração são pH, salinidade, nutrientes, patógenos e metais pesados ​​[3,13,21], enquanto as preocupações ambientais são o manejo inadequado de digeridos, armazenamento e aplicação, o que pode levar à amônia emissões, lixiviação de nitratos e sobredosagens de fósforo [22]. tabela 1mostra a composição de metais pesados, micro e macro nutrientes de diferentes digestores de AD, que foram agrupados em cinco categorias [3,23]: (i) lodo de esgoto (SS); (ii) adubo animal; iii) resíduos da indústria alimentar; (iv) culturas energéticas e resíduos de colheita; e (v) OFMSW. Pode-se observar que as concentrações dos elementos são altamente variáveis ​​e dependem do tipo de substrato. Por exemplo, a digestão do lodo de esgoto apresenta uma concentração de P relativamente alta, enquanto o digestor de dejetos de abatedouro apresenta alta concentração de N. Os digestivos também são avaliados em termos de salinidade, matéria orgânica biodegradável restante, fitotoxicidade e abundância de patógenos [24,25]. Tais fatos determinam a necessidade de aplicar tratamento específico adicional para aumentar a qualidade do digestor até níveis aceitáveis ​​[26]. 
O risco de uso inadequado de digerido está relacionado com a salinidade (ou seja, Na ⁺ e Al ^{3 +}) e digerem a estabilidade. Altas doses ou aplicações contínuas de digeridos com alta salinidade podem levar ao acúmulo excessivo de sais e metais pesados ​​no solo, o que pode inibir o crescimento das plantas [3,26,27]; enquanto a aplicação de digerido instável (isto é, digerido com grandes quantidades de matéria orgânica não degradada) pode exercer um impacto negativo na mineralização da matéria orgânica e no turnover nutricional no sistema solo-planta [13,27,28]. O digestivo instável pode ser obtido a partir de digestores ou digestores mal operados operados em condições intensas, como tempos de retenção hidráulica curtos, altas taxas de carga orgânica e adição de co-substrato com base em decisões aleatórias ou heurísticas [3]. Aumentar o tempo de digestão pode diminuir a quantidade de compostos lábeis nos digeridos; no entanto, pode reduzir a produção volumétrica específica de biogás dos digestores, bem como exigir um investimento maior (vaso maior). O pós-tratamento aeróbico pode ser usado para diminuir o impacto fitotóxico dos digestores sem afetar a viabilidade da AD, bem como melhorar a destruição dos patógenos. A esse respeito, Abdullahi et al. [28] verificaram que a germinação de sementes aumentou com o tempo de diluição e incubação, sugerindo que menores taxas de aplicação e longos períodos de defasagem entre a aplicação de digestão e plantio tratados aerobicamente podem reduzir a ocorrência de fitotoxicidade. Abubaker [28] verificaram que a germinação de sementes aumentou com o tempo de diluição e incubação, sugerindo que menores taxas de aplicação e longos períodos de defasagem entre a aplicação de digestão e plantio tratados aerobicamente podem reduzir a ocorrência de fitotoxicidade. Abubaker [28] verificaram que a germinação de sementes aumentou com o tempo de diluição e incubação, sugerindo que menores taxas de aplicação e longos períodos de defasagem entre a aplicação de digestão e plantio tratados aerobicamente podem reduzir a ocorrência de fitotoxicidade. Abubakeret al . [29], que estudaram a estrutura da comunidade bacteriana e a atividade microbiana em diferentes solos alterados com a pasta de gado digestível e não tratada, observaram que as diferenças na estrutura da comunidade microbiana induzida pelo digerido pareciam ser menores do que aquelas induzidas por dejeto bovino, e essas mudanças não traduzir-se em funcionamento microbiano alterado.

Separação de Digestão Sólido-Líquido 
Embora a aplicação direta de terra por digestão seja amplamente aplicada, a grande quantidade de digerido produzida em regiões pecuárias intensivas pode levar a problemas de excedente de nutrientes [40-42]. Além disso, a grande quantidade de água (> 80%) em digeridos aumentará as despesas de transporte e dificultará sua utilização. 
Para evitar impactos negativos sobre o meio ambiente, tratamentos complementares de digestão são necessários no contexto de remoção e / ou recuperação de excedente de nutrientes [43,44]. Um dos métodos de pós-tratamento de digestão mais simples é a separação da fração sólida e líquida (conhecida como desidratação por digestão) [45,46]. 
A separação sólido-líquido fornece duas frações de materiais que podem ser manipuladas de forma independente [47]. A fração sólida pode ser transportada por distâncias maiores por causa da redução do teor de água ou sofrer processamento adicional para produzir produtos com valor agregado (por exemplo, composto e fertilizante orgânico por bioestabilização) [47]. A fração líquida pode ser devolvida ao processo, tratada para atender às exigências de terras (remoção de nutrientes) ou tratada para recuperar nutrientes valiosos (P e N) [48-53]. Os objetivos da separação sólido e líquido são: (i) aumentar as possibilidades de manejo digestivo como subproduto; (ii) evitar o processo de decomposição descontrolada; e (iii) reduzir o custo de transporte (fração sólida) [54]. As tecnologias comuns da separação contínua e líquida são decantação, centrifugadora, rolo brusch, tela de vibração, imprensa de parafuso, prensa de correia e tela de decaimento [55]. O tipo de tecnologia utilizada na separação sólido-líquido do digerido determinará a composição das frações. Além disso, a eficiência de separação é determinada pelos fluxos, conteúdo sólido, uso de aditivos e degradação por digestão [45,53,54,56].

Por exemplo, no digerido esterilizado por centrifugação, o teor de matéria seca da fração sólida é tipicamente 25-35%, contendo 60-80% da matéria seca digerida e quase totalmente do fósforo da pasta original, mas apenas 20 - 25% no nitrogênio e 10-15% do potássio [14]. Outro fator a considerar na separação sólido-líquido é a eficiência econômica, que é determinada principalmente pela retenção de matéria orgânica e nutrientes (N, P e K) na fração sólida [53]. 
Portanto, alguns processos integram duas tecnologias de separação sequenciais para aumentar a eficiência de separação e fornecer diferentes: (i) condições de operação (fluxos), (ii) desempenhos (recuperação N e P) e (iii) despesas (investimento e custo de operação) [57] . 
Por exemplo, Parera e cols.. [58] avaliaram a viabilidade econômica de dois sistemas de separação sólidos e líquidos, prensa-parafuso e prensa-parafuso; concluindo que a regulação e calibração das condições operacionais (isto é, fluxos e diâmetro dos poros da malha) determinam a eficiência da separação. O sistema de prensagem de rosca blindada permitia alto fluxo (20m ³ / h) com recuperação de N e P de 15 e 20%, respectivamente, enquanto sistemas de centrífuga de parafuso operavam em fluxo baixo (4,5m ³ / h) com N e P recuperação de 45-80%, respectivamente. No entanto, o equilíbrio econômico mostrou que o sistema de prensa de parafuso com tela reduzida apresentou menor custo de operação (1,03 € / m ³ ; 1,96 € / kg N e 4,96 € / kg P) do que os sistemas de centrífuga de parafuso (3,68 € / m ³ , 2,34 € / kg N e 4,43 € / kg P) [58].

Tratamento da fração sólida digerida 
A partir da separação sólido-líquido, a fração sólida pode subsequentemente ser aplicada diretamente como fertilizante na agricultura, compostada ou seca para armazenamento intermediário e transportabilidade aprimorada. A fração sólida também pode ser vendida como um fertilizante rico em fósforo, sem qualquer tratamento adicional [20]. Nest et al . [59] mostraram que o uso da fração sólida do digestor separado pode substituir o fertilizante mineral e leva a uma maior disponibilidade do P. Compostagem digestiva e estocagem são amplamente utilizadas, já que essas tecnologias são as mais simples e o material pode ser considerado higienicamente seguro [ 60]. 
Por outro lado, a tecnologia peletizada está se expandindo rapidamente. A tecnologia de peletização consiste em secagem por digestão (ei-fluidized bed dryer) seguindo-se a mistura com uma solução de (NH ₄ ) ₂ SO ₄ e formação de pellets [43,61]. Foi demonstrado que, quando o digerido é convertido em produtos ensacados secos peletizados, o digerido pode atingir um preço muito superior até € 250 / ton [60]. Outras opções para a fração sólida digerida é o uso para fins industriais, isto envolve a produção de materiais compósitos, processos de biorrefinaria ou incineração para produção de energia [20]. Santi e cols.. [62] mostraram que a fração sólida digerida produzida pela silagem de milho comercial AD contém uma quantidade notável de polímeros de parede celular que poderiam potencialmente ser usados ​​em processos de biorrefinaria para produção de etanol e xilo-oligossacarídeos.

Tratamento da fração líquida digerida 
A partir da separação sólido-líquido, a fração líquida gera maior interesse, pois contém a maior parte do nitrogênio e potássio. A fração líquida digerida pode ser usada para diluir a matéria-prima sólida elevada e ser repassada ao digestor e / ou aplicada como água de irrigação [48,63]. No entanto, o acúmulo de nitrogênio devido à recirculação do líquido pode levar à inibição da biomassa anaeróbica [64-66] e restringe as diretrizes de aplicação de terra que limitam o espalhamento de N nas terras [67,68]. Portanto, as plantas de AD estão atualmente concentrando seus esforços no fornecimento de tecnologias adequadas para processar a fração líquida digerida, dando importância estratégica para reduzir o conteúdo de nitrogênio por tecnologias de remoção ou recuperação ( Figura 2) [14]. A remoção consiste em reduzir a concentração de nitrogênio no digerido, convertendo o amônio em gás nitrogênio, aumentando as concentrações de nitrogênio para limites diretivos ou requisitos de terra; enquanto a recuperação consiste na fixação de amônio e concentração em meio líquido ou sólido que são potencialmente reutilizáveis ​​como fertilizante agrícola ou reagente químico [15]. Hoje, as tecnologias de tratamento de nitrogênio estão focadas principalmente em sua eliminação, e não em sua recuperação. No entanto, métodos convencionais de remoção de nitrogênio estão sendo reconhecidos como um desperdício [15,63]. Por exemplo, o processo convencional de nitrificação-desnitrificação, em que o nitrogênio é convertido em gás de nitrogênio elementar, requer energia elétrica e química [15]. A este respeito, novas tecnologias como o Anammox, absorção e membrana têm sido apresentadas como opções alternativas de tratamento de nitrogênio. Uma breve descrição das principais tecnologias é discutida abaixo.

Anammox , 
A oxidação de amônio anaeróbio (Anammox) está crescendo em importância como uma tecnologia alternativa para a remoção biológica de nitrogênio do efluente devido a sua menor necessidade de energia, oxigênio e carbono [69]. O processo Anammox consiste na oxidação de amônia na ausência de oxigênio, mas na presença de nitrito ( Equação 1 ) [70,71]. Portanto, um pré-requisito do processo Anammox é uma unidade de nitrificação parcial em que cerca de 50% do amônio é convertido em concentração de nitrito apropriado à estequiometria para a reação Anammox, como mostrado na Equação 1 [72]. Figura 3mostra o esquema geral do processo Anammox. As condições operacionais ótimas para o Anammox foram relatadas em pH = 7-8,5; C / N ração 0,6: 1; tempo de retenção hidráulica de 1 dia e temperatura 30-37 ° C [73]. No entanto, os reatores Anammox já foram operados em temperaturas psicrofílicas [74,75].

A viabilidade do processo foi demonstrada em laboratório e tratamento de águas residuais em larga escala [76] e experiências em larga escala no tratamento de digestates por Anammox são agora conhecidas [77,78]. Anammox é uma alternativa promissora, uma vez que tem várias vantagens em comparação com os sistemas convencionais de tratamento de águas residuais para remoção de N [79]. Anammox apresenta redução de ~ 60% no oxigênio necessário para a nitrificação, eliminação da exigência de carbono orgânico para desnitrificação, redução na produção de biossólidos, maiores taxas de remoção de N e bom acoplamento com a produção de biogás [80]. Os principais desafios para a implementação do Anammox são: (i) a baixa taxa de crescimento dos organismos Anammox, causando longos períodos de início e a necessidade de garantir a retenção de células bacterianas no interior do reator [81]; (ii) altas concentrações de N no interior do reator Anammox devem ser um risco de inibição da biomassa, portanto, o digerido pode ser diluído antes de ser fornecido ao reator Anammox, aumentando os custos operacionais e de capital; e (iii) teor de sulfeto e fósforo digerido pode interferir no processo Anammox [79].

Absorção 
O nitrogênio inorgânico existente nos digeridos é um equilíbrio entre amônia livre (NH ₃ ) e amônio (NH ₄ ⁺). A recuperação de amônia a partir de digestores tem sido investigada com métodos como a remoção de gás acoplado e absorção líquido / sólido [82]. A decapagem de amónia é realizada deslocando o equilíbrio para libertar amoníaco por aumento do pH e / ou temperatura digeridos. A decapagem de amônia foi testada usando uma variedade de abordagens, incluindo com e sem separação sólido / líquido e usando ar, nitrogênio, vapor ou biogás como o agente decapante [83]. A absorção de amônia pode ser feita por materiais de troca iônica ou solução ácida, dos quais a absorção ácida é amplamente utilizada, uma vez que cristais de sulfato de amônio de alta pureza podem ser produzidos quando soluções de ácido sulfúrico são usadas. Cristais de sulfato de amônio isolados do processo de absorção são fertilizantes úteis com alto valor comercial [84,85]. 
O amónio desempenha um papel vital como agente tampão no processo de AD [86]. No entanto, altas concentrações de amônio são inibitórias para a biomassa anaeróbica, especialmente metanogênicos aceticlásticos [87]. Consequentemente, vários esforços de pesquisa foram feitos para reduzir a concentração de amônio no meio digestivo [24,64,87]. Absorções químicas usam uma nova configuração de reatores para capturar o amônio em um meio sólido ou líquido. Serna-Maza et al . [88] propuseram uma extração de amônia de fluxo lateral usando tratamento alcalino térmico ( Figura 4a ). Neste método, o conteúdo do reator e o biogás são tratados na coluna de decapagem e o biogás que sai da coluna de decapagem é passado através de ácido (0,25NH ₂ SO ₄) armadilhas para remover a amônia, enquanto o conteúdo de biogás e reator retorna ao reator. Sun et al . [89] reduziram a amônia durante a digestão anaeróbica termofílica de silagem rica em proteína a uma taxa de carga orgânica mais alta (7gL ^-1 d ^-1 ) pela recirculação de biogás no sistema de biogás lavado com água ( Figura 4b ). Wirthensohn et al . [90] testaram uma coluna de resina de troca catiônica ácida gel (para remover o amônio por troca iônica) após filtração e osmose reversa em uma planta de AD em escala completa. A resina apresenta 99% de remoção de amônio (27,6g de resina NH ₄ ⁺ -NL ^-1 ) e apresenta também uma regeneração com 3 volumes de leito de HCl 2M, recuperando 91,7% da capacidade de troca catiônica original [90].

Bioremediacao de  reducao DBO via  Produacao  de  micro algae  via  Foto  Bioreator 

A biomassa de microalgas tem apresentado uma aplicação de interesse intenso em biotecnologia ambiental, uma vez que pode ser usada para a biorremediação de águas residuais [91]. Assim, a combinação da produção de biomassa de microalgas com o tratamento de águas residuais orgânicas pode mitigar: (i) o consumo de água; (ii) substituir os requisitos de fertilizantes das culturas de algas por águas residuais ricas em azoto e fósforo e (iii) a biomassa de algas produzida pode ser ainda mais valorizada na produção de biocombustíveis [92-94]. O nitrogênio e o fósforo são considerados nutrientes essenciais para o cultivo de algas. O nitrogênio está diretamente associado ao metabolismo primário das algas, pois é o principal constituinte do ácido nucléico e das proteínas [95]. O fósforo precisa ser fornecido como fosfato porque o fósforo em outras formas pode se combinar com íons metálicos e ser precipitado, tornando-se assim indisponível para as microalgas [95]. A associação de culturas de microalgas e AD parece ser uma tecnologia promissora para a produção sustentável de biomassa de algas e produção de biogás. O uso de fração líquida digerida para sustentar o crescimento de microalgas reduz o custo e os impactos ambientais associados às exigências de nutrientes de algas [96]. No entanto, o crescimento da biomassa resultante microalgal será impulsionado por luz, fonte de carbono, cargas de nutrientes (N e P), traço de micronutrientes, como metais e vitaminas [97]. No uso específico de digeridos para produção de microalgas, a alta concentração de amônio, bem como turbidez, salinidade, toxinas, etc; apresentar efeitos prejudiciais sobre o crescimento de microalgas e, portanto, digesta deve ser diluído antes usado para o cultivo de microalgas,A Tabela 2 mostra diferentes experiências de remoção de nutrientes usando microalgas a partir da fração líquida digerida. Além do nitrogênio e do fósforo, as algas também requerem micronutrientes, como metais (Na, Mg, Ca, Mn, Zn, Cu, Fe e Mo) e vitaminas para o crescimento efetivo [98]. As algas também podem ser usadas como bioabsorvente para remover íons de metais pesados ​​(por exemplo, Cu, Pb, Cr e Sr) [99]. A bio-classificação aplicada em digeridos utilizando algas tem várias vantagens sobre os métodos convencionais (por exemplo, redução química, troca iônica, precipitação e separação por membrana): (i) baixo custo operacional; (ii) alta eficiência na desintoxicação de metais pesados ​​em correntes de baixa concentração; e (iii) ausência de requisitos nutricionais [100]. 
O crescimento de algas também se torna atraente para sistemas de AD pela capacidade de remover CO ₂do biogás. A AD produz biogás na concentração de CH ₄ e CO ₂ entre 50-80% e 50-20%, respectivamente [101]. Existem vários métodos disponíveis para a remoção de CO ₂ do biogás (ou seja, absorção líquida e sólida, adsorção por oscilação de pressão, filtração por membrana e separação criogênica) [10]. Esses processos exigem uma quantidade considerável de energia e sua operação pode ser complexa [102]. A produção de biomassa de microalgas e a modernização do biogás também podem ser integradas com o tratamento da fração líquida digerida [103]. A Figura 5 mostra a produção de biomassa de microalgas e a integração de atualização de biogás.

Separação de 
membranas A tecnologia de membranas adquiriu relevância significativa em muitos setores da indústria. As membranas podem ser projetadas para permitir a transferência de gás entre duas fases líquidas. Para conseguir esta transferência de massa, uma membrana hidrofóbica microporosa separa as duas fases líquidas, que são um NH ₃ rico de alimentao e uma solução de absorção ácida ( Figura 6a ). Os poros preenchidos com gás da membrana são a área de transferência. A diferença na pressão parcial NH ₃ entre as duas fases líquidas é a força motriz da transferência de massa. Contatores de membrana de fibra oca têm sido usados ​​para remover NH ₃ de digerido anaeróbio [109] e também diretamente de um reator AD operando [110]. 
Outros usos de membranas na recuperação de nutrientes do sistema de digestão anaeróbica são sistemas bioeletroquímicos (BES). O sistema representativo inclui células de combustível microbianas (MFCs) ( Figura 6b ), células de eletrólise microbiana (MECs) ( figura 6c).) e células de dessalinização microbiana (MDCs) [111]. A base para a recuperação da amônia em uma BES é o fato de que os íons de amônio podem se mover através da membrana de troca iônica através de migração ou difusão acionada por corrente [111]. Descobriu-se que um MFC poderia atingir 100% de recuperação de amônia em eficiência e reduzir a inibição da amônia na digestão anaeróbica [111,112]. A análise teórica do consumo e produção de energia sugeriu que a recuperação de amônia em uma MFC tinha uma vantagem significativa em termos de energia (com balanço energético positivo) [111,113]. Um dos fatores-chave na recuperação da amônia é o alto pH do cátodo, que pode levar o amônio ao gás de amônia [114]

Estruvita A 
precipitação de estruvita tem atraído um interesse crescente como técnica de recuperação de N e / ou P, pois a estruvita tem alto valor nutricional por unidade de peso (baixo custo de transporte) e é altamente eficaz como fertilizante de liberação lenta [115,116]. 
A estruvita é uma fase sólida cristalina que consiste em magnésio, amônio e fósforo em concentrações molares iguais e sua precipitação ocorre naturalmente, como na Equação 2 , quando a concentração combinada excede o produto de solubilidade [117,118].

O desenvolvimento do cristal de estruvita ocorre em duas fases químicas: nucleação (nascimento de cristal) e crescimento de cristal [115]. Vários parâmetros físico-químicos influenciam esses mecanismos, tais como pH [119], super-saturação [120], energia de mistura [121], temperatura e presença de íons estranhos [122]. Levando em conta esses fatores, vários reatores de cristalização de estruvita têm sido desenvolvidos, principalmente reatores de fluxo contínuo [115,122-124]. 
A precipitação de estruvite de digestates AD ( Figura 7a ) requer normalmente a adição de Mg ²⁺ uma vez que a sua concentração é muito baixa com relação a NH ₄ ⁺ e PO ₄ ^3- concentração [125]. No entanto, embora o uso de estruvita para a recuperação de NH ₄⁺ e PO ₄ ^{3- a} partir de águas residuais é tecnicamente viável, não é amplamente adotado por causa dos altos custos dos compostos químicos [117,126]. Vários autores avaliaram a utilização de fontes alternativas de magnésio como a água do mar [127], água do mar e salmoura [128], magnesita [129], pirolisato de magnesita [130], reciclagem de pirolisato de estruvita [131] e dosagem eletroquímica de magnésio [132]. A Tabela 3resume a remoção de NH ₄ ⁺ e PO ₄ ^3-por precipitação de estruvita a partir de diferentes águas residuais e digeridos utilizando diferentes fontes de magnésio. Subprodutos ricos em magnésio da calcinação de magnesita mostraram bons resultados na precipitação de estruvita e algumas vantagens em comparação com outras fontes de Mg2 ⁺[117,133,134]. Neste tópico, Quintana et al . (2008) observaram que a origem e o pré-tratamento dos subprodutos têm uma influência considerável sobre o tempo de reação, bem como sobre a quantidade e qualidade da estruvita obtida. 
A digestão anaeróbica de acoplamento e a precipitação de estruvita no mesmo reator foram apresentadas como uma abordagem alternativa para reduzir ainda mais o custo do tratamento ( Figura 7b) e, adicionalmente, mitigar a inibição do amônio em sistemas de digestão anaeróbica. Essa abordagem tem sido testada por alguns pesquisadores em reatores contínuos, sem qualquer impacto negativo no desempenho da DA e alta recuperação de nutrientes (N <50%; P <90%) [136-138]. No entanto, a administração continuada de Mg ²⁺ pode levar a fenómenos inibitórios por toxicidade extracíclica ou por catiões, bem como elevados custos operacionais associados à aquisição de reagentes de Mg ²⁺ [117].

Romero-Güiza et al . [139] descobriram que a utilização de agente de estabilização (formada principalmente de newberyite (MgPO ₄ · 3H ₂ O)) formulada com óxido de magnésio de grau baixo subproduto, pode reduzir a concentração de amónio até 70% e aumentar a produção de biogás específico 40% com estabilidade a longo prazo. 
O estruvita tem sido utilizado com sucesso como fertilizante em diferentes culturas. Na verdade, a estruvita é o fertilizante preferível para as culturas que necessitam de magnésio, como a beterraba sacarina [140]. Outros aspectos favoráveis ​​da estruvita são sua baixa taxa de lixiviação (liberação de nutrientes lentamente durante a estação de crescimento da planta) e que ela não queima as raízes como o fertilizante de fosfato de amônio tradicional [115]. No entanto, em alguns casos, a estruvita obtida a partir de digeridos anaeróbios pode conter alguns metais pesados ​​[116], que são incorporados na rede cristalina de estruvita não apenas por nucleação, mas também durante o processo de crescimento dos cristais [129,141-143]. No entanto, é improvável que os metais pesados ​​excedam as concentrações limite para aplicação no solo [144].

Recuperação aprimorada de fósforo O 
fósforo está normalmente presente em águas residuárias, córregos industriais e digestores anaeróbios em baixas concentrações (10-100mgPL ^-1). A recuperação de fosfatos através da precipitação com alumínio, ferro, cálcio e magnésio é tecnicamente possível; no entanto, as fontes de alumínio e ferro são caras e tornam o fósforo indisponível para as plantas [148]. Os fosfatos de cálcio são um fertilizante mais pobre (particularmente em solos alcalinos) [149,150], enquanto a recuperação como estruvita requer uma maior concentração de P na solução [151]. Para resolver este problema, é sugerida a remoção biológica reforçada de fósforo (EBPR) como tecnologia para concentrar fósforo, a fim de viabilizar a recuperação e reutilização de fósforo. Lodo EBPR contém 5-7% de fósforo em contraste com o lodo ativado normal, variando de 1 e 2% (peso seco) [152]. O EBPR depende de organismos que acumulam polifosfatos (PAOs) para absorver fósforo de correntes de águas residuais e assim concentrar P na digestão anaeróbica prévia da biomassa [153,154], cuja digestão pode ser diretamente aplicada à terra ou tratada para recuperar P como estruvita [155]. Avanços recentes no EBPR sugerem que os principais fatores que envolvem a tecnologia são: (i) transformações bioquímicas realizadas por PAOs, (ii) projeto e operação de processo, e (iii) recuperação de fósforo do lodo de EBRP [152,156]. O sistema EBPR requer condições anaeróbicas e aeróbicas alternadas. Em sistemas contínuos, isso é conseguido dividindo-se espacialmente o biorreator em zonas anaeróbicas e aeróbicas [157-160], enquanto os reatores em batelada sequenciais fornecem períodos anaeróbicos e aeróbicos em um único vaso [161,162]. qual digerido pode ser aplicado diretamente na terra ou tratado para recuperar P como estruvita [155]. Avanços recentes no EBPR sugerem que os principais fatores que envolvem a tecnologia são: (i) transformações bioquímicas realizadas por PAOs, (ii) projeto e operação de processo, e (iii) recuperação de fósforo do lodo de EBRP [152,156]. O sistema EBPR requer condições anaeróbicas e aeróbicas alternadas. Em sistemas contínuos, isso é conseguido dividindo-se espacialmente o biorreator em zonas anaeróbicas e aeróbicas [157-160], enquanto os reatores em batelada sequenciais fornecem períodos anaeróbicos e aeróbicos em um único vaso [161,162]. qual digerido pode ser aplicado diretamente na terra ou tratado para recuperar P como estruvita [155]. Avanços recentes no EBPR sugerem que os principais fatores que envolvem a tecnologia são: (i) transformações bioquímicas realizadas por PAOs, (ii) projeto e operação de processo, e (iii) recuperação de fósforo do lodo de EBRP [152,156]. O sistema EBPR requer condições anaeróbicas e aeróbicas alternadas. Em sistemas contínuos, isso é conseguido dividindo-se espacialmente o biorreator em zonas anaeróbicas e aeróbicas [157-160], enquanto os reatores em batelada sequenciais fornecem períodos anaeróbicos e aeróbicos em um único vaso [161,162]. e (iii) recuperação de fósforo do lodo de EBRP [152,156]. O sistema EBPR requer condições anaeróbicas e aeróbicas alternadas. Em sistemas contínuos, isso é conseguido dividindo-se espacialmente o biorreator em zonas anaeróbicas e aeróbicas [157-160], enquanto os reatores em batelada sequenciais fornecem períodos anaeróbicos e aeróbicos em um único vaso [161,162]. e (iii) recuperação de fósforo do lodo de EBRP [152,156]. O sistema EBPR requer condições anaeróbicas e aeróbicas alternadas. Em sistemas contínuos, isso é conseguido dividindo-se espacialmente o biorreator em zonas anaeróbicas e aeróbicas [157-160], enquanto os reatores em batelada sequenciais fornecem períodos anaeróbicos e aeróbicos em um único vaso [161,162].

Conclusões

A utilização de digeridos anaeróbicos como fertilizante orgânico ou condicionador do solo parece ser a melhor opção para a reciclagem de nutrientes. No entanto, a maioria dos digeridos não é adequada para aplicação direta em terra, pois suas propriedades podem causar problemas ambientais, como emissões de amônia, lixiviação de nitrato e overdoses de nutrientes. A separação da fração sólida e líquida é, devido à sua simplicidade, o método de tratamento digestivo mais difundido. No entanto, tratamentos adequados ainda são necessários para o seu manejo correto. A fração sólida é geralmente mais fácil de tratar, enquanto a fração líquida requer processos severos e caros. 
A recuperação de nutrientes nos sistemas de digestão anaeróbica é principalmente focada no nitrogênio. A recuperação de nitrogênio foi alcançada por meio de striping, membrana, sistemas eletroquímicos e tecnologias de precipitação. A remoção de nitrogênio do meio digestivo e não do efluente é uma abordagem interessante, uma vez que também permite a redução da inibição da amônia na biomassa. No entanto, a recuperação de fósforo foi identificada como característica chave em plantas de tratamento em larga escala devido à escassez de fósforo e ao valor comercial. Neste assunto, a maioria dos esforços de pesquisa tem sido feita na concentração de fósforo em polifosfatos, acumulando a digestão anaeróbica prévia do organismo e a subsequente recuperação por precipitação. A precipitação de estruvita é um processo útil para a recuperação de N e P,²⁺ fonte. Finalmente, a integração do tratamento sobrenadante anaeróbico e cultivo de algas foi identificada como uma maneira potencial de reduzir o risco de poluição de nitrogênio e fósforo pela digestão anaeróbica e como uma tecnologia de atualização de biogás; no entanto, mais pesquisas são necessárias para superar os fatores limitantes. 
A principal limitação identificada na recuperação de nutrientes dos sistemas de digestão anaeróbica são os requisitos elétricos e / ou químicos, que resultam em processos econômicos inviáveis. Além disso, alguns dos processos apresentados ainda estão em desenvolvimento. Outra limitação no uso de digeridos anaeróbicos como fertilizantes orgânicos é a sua comercialização. A percepção negativa por parte dos consumidores e a competição com os fertilizantes convencionais aumentam a necessidade de aumentar a comercialização dos digestores e os incentivos governamentais.

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