Nutrient recovery from source separated urine: modelling and experimental study

Abstract

La recuperación de fósforo de la orina puede hacer una contribución importante a la seguridad alimentaria mundial y sostenibilidad del medio ambiente. El fósforo al recuperarse mediante la formación de “estruvita“, contiene un fertilizante de liberación lenta que se forma por precipitación. Este proceso se realizó alimentando magnesio y soluciones de orina a un reactor continuo de tanque agitado. Las partículas de estruvita resultantes se mantuvieron dentro del reactor, mientras que la fase líquida con menor concentración de nutrientes salía del reactor. Esta investigación incluyó el análisis de la productividad y termodinámica de soluciones. La productividad de la estruvita comprende la cantidad producida por volumen de reactor. Las condiciones operativas fueron seleccionadas mediante simulaciones computacionales de un modelamiento termodinámico en condiciones cercanas al equilibrio químico. El modelo matemático que representaba el comportamiento dinámico del reactor continuo fue validado mediante dos experimentos continuos, cada uno operando más de 4 días. Los resultados de las simulaciones de la concentración de fósforo en la fase líquida del reactor coincidieron con las mediciones experimentales de laboratorio. La estruvita producida se caracterización mediante difracción de rayos X, análisis elemental de magnesio y fósforo, microscopía y tamaño de partículas medidas por metodología de zona de detección eléctrica.

Phosphorus recovery from urine can make an important contribution towards global food security and environmental sustainability. Phosphorus can be recovered through formation of “struvite“, a slow-release fertiliser, which forms by precipitation. Its precipitation was conducted by feeding magnesium and urine solutions to a continuous, well-mixed reactor. The resultant struvite particles were retained within the reactor, while the depleted nutrient solution exits. Most of previous research had arbitrary selected operational conditions. These studies did not consider any assessment of struvite productivity and neither thermodynamics. Struvite productivity comprises the quantity of struvite produced per volume of reactor. Thermodynamics simulations assisted to select a suitable conditions close to equilibrium. This work aimed to increase our process understanding through mathematical modelling, computer simulation and directed experimentation.