Evaluation of phosphate and ammonium removal and valorization from urban waste waters by impregnated metal hydrated oxides inorganic natural zeolites

Abstract

Phosphate and ammonium removal from waste water by adsorption using inorganic natural sorbents has been identified as a promising technology. The advantages of this methodology are associated with its availability and effective low cost. Some natural and synthetic zeolite materials have been used for the individual phosphate and ammonium removal from aqueous solutions. The zeolites revealed high affinity for ammonium removal. However, some modifications stages are indispensable to enhance their oxyanionic sorption capacity to achieve high phosphate removal ratios. So, it is highly desirable to obtain a single sorbent for both cation and anion removal capacity from aqueous solutions. For this purpose, a natural zeolite with clinoptilolite as major mineral phase, was impregnated with metallic oxyhydroxides after conversion to the sodium form. As a result, hydrated metal oxides (HMO) of Al, Fe and Mn were immobilized on the zeolite surface structure. The efficiency of aluminium, iron and manganese hydrated metal oxides was individually evaluated for the simultaneous phosphate and ammonium removal from aqueous solutions through batch and continuous mode assays using a granular natural zeolite sample. High selectivity was developed by modified zeolites towards these species in the presence of competing ions commonly present in urban and industrial waste waters. The regeneration assays demonstrated the limited use of modified zeolites in operational cycles as losses of the hydrated metal oxide along within the operation cycles will require re-impregnation stages. Then, an alternative option for final valorization of ammonium and phosphate is the use of the loaded zeolites as soil amendment for agricultural and forestry purposes or for environmental rehabilitation of degraded soils. Therefore, a second approach could be to use the impregnated zeolites as nutrients carriers, improving their fertilizing properties by including potassium. For this purpose, powder samples of the natural zeolite in the potassium form were impregnated with the metallic oxyhydroxides and were enriched on nutrients (N,P,K) by using treated waters from the secondary effluent from "El Prat" Waste Water Treatment Plant using batch mode assays. The N-P-K release rates of the enriched zeolite samples were determined by column test using mixtures with three different types of agricultural soils.

La recuperación de fosfato y amonio de agua residual mediante adsorción usando adsorbentes inorgánicos naturales ha sido identificado como una tecnología muy prometedora. Las ventajas de esta metodología se asocian a la amplia disponibilidad de adsorbentes de este tipo y su bajo costo. Algunos materiales zeolíticos naturales y sintéticos han sido usados para la adsorción individual de fosfato y amonio de soluciones acuosas. Las zeolitas revelan alta afinidad para la adsorción de amonio. Sin embargo, algunas etapas de modificación son indispensables para incrementar la capacidad de adsorción oxianiónica y conseguir altas tasas de adsorción de fosfato. Entonces, resulta conveniente obtener un solo adsorbente para la adsorción simultánea de cationes y aniones de soluciones acuosas. Con este propósito, una zeolita natural que contiene clinoptilolita como mayor fase mineralógica, se impregnó con hidróxidos metálicos después de su conversión a la forma sódica. Como resultado, los óxidos metálicos hidratados (HMO) de Al, Fe and Mn fueron inmovilizados en la superficie de la estructura zeolítica. La eficiencia de los óxidos metálicos hidratados de aluminio, hierro y manganeso fue evaluada individualmente para la adsorción simultánea de fosfatos y amonio de soluciones acuosas mediante ensayos por lotes y en continuo usando una zeolita en forma granular. Una alta selectividad fue demostrada por parte de las zeolitas modificadas respecto a la adsorción de estas especies en presencial de iones competidores comúnmente existentes en aguas residuales urbanas e industriales. Los ensayos de regeneración demostraron el uso limitado de las zeolitas modificadas en continuo así como también la pérdida de los óxidos metálicos hidratados con cada ciclo de operación puesto que requiere de una nueva impregnación en cada etapa. Entonces, una opción alternativa para la final valorización de fosfato y amonio es el uso de las zeolitas saturadas como material de mejoramiento de suelos con propósitos agrícolas o también para la rehabilitación de suelos degradados. Es así que se evidencia una oportunidad en el uso de zeolitas impregnadas como transportadores de nutrientes, de tal forma que mejoren las propiedades fertilizantes mediante la inclusión de potasio. Para cumplir con este objetivo, la zeolita natural en polvo se impregnaron con oxihidróxidos metálicos que fueron enriquecidos con nutrientes esenciales (N, P, K) usándolas para tratar aguas residuales provenientes de efluentes secundarios, específicamente de la Planta de Tratamiento de Agua Residual "El Prat" usando ensayos por lotes. Las tasas de liberación de N-P-K de las zeolitas enriquecidas se determinaron mediante pruebas en columna usándolas como aditivos en tres tipos diferentes de suelos agrícolas.