Membranbaserade processer för närsaltåtervinning från

I refererad litteraturgenomgång har tre framtida membranprocesser för återvinning av näringsämnen från avloppsvatten kritiskt granskats såväl för separat användning som i kombination med varandra och/eller med annan känd teknik.

Av: Bengt Andersson

Återvinning av näringsämnen och framför allt fosfor ur avloppsvattenfraktioner är en viktig strategi för en hållbar livsmedelsproduktion. Struvitutfällning anses brett vara den mest lovande teknologin för återvinning av näringsämnen från avloppsvatten. Trots kommersiella applikationer kvarstår två kritiska utmaningar. Den ena är att återvinningsgraden är avhängig av fosforkoncentrationen i avloppsvattnet. En långtgående avskiljning (> 95 %) kan endast uppnås då fosforkoncentrationen är högre än 100 mg P/l medan låga fosforkoncentrationer resulterar i en lägre återvinningsgrad (< 40 %). Eftersom inkommande fosforkoncentration normalt varierar mellan 6 mg P/l för inkommande vatten och knappt 60 mg P/l för rejektvatten efter slamrötning finns det incitament för att försöka öka koncentrationen av fosfor i inkommande ström.

Utnyttjande av membranprocesser som omvänd osmos (RO) och nanofiltrering (NF) har resulterat i en hög återvinningspotential men dessa tryckdrivna membranprocesser har begränsningar främst för höga driftkostnader och för deras påtagliga benägenhet till igensättning av membranen. I refererad genomgång har därför tre andra framväxande processer – osmos (FO, forward osmosis), membrandestillation (MD) och elektrodialys (ED) – betraktats eftersom alla uppnår en hög koncentreringsfaktor, har en selektivitet som främjar återvinning av värdefulla näringsämnen och har ett energibehov och tillhörande kostnader som är lägre än för tryckdrivna processer.

Karakterisering av membranprocesserna

I det följande beskrivs de tre membranprocesserna med hänsyn till applikation, potential till återvinning och processbegränsningar.  

I en osmosprocess (FO) finns ett semipermeabelt membran som skiljer två flöden med olika koncentration åt och genom vilket vattenmolekyler vandrar från det utspädda flödet med lågt osmotiskt tryck till det mera koncentrerade flödet med högre tryck. Istället för hydrauliskt tryck drivs processen enbart av det osmotiska trycket för att släppa igenom vatten, vilket medför en lägre grad av igensättning av membranet, en reversibel igensättning som kan åtgärdas enkelt samt lägre drift- och energikostnader. Genom de unika massöverföringsegenskaperna kan en koncentreringsgrad upp till 10 gånger uppnås i FO för urin, rötslam och aktivt slam samt inkommande avloppsvatten, vilket ger goda förutsättningar för struvitutfällning. I en FO begränsas membranfunktionen av förhållandet mellan vattnets permeabilitet och utbytet av lösta ämnen i båda riktningarna genom diffusion och det är avgörande att välja rätt membran och rätt lösning på den koncentrerade sidan för att uppnå önskat resultat.

Membrandestillation (MD) är en membranprocess, där en låggradig värmekälla kan utnyttjas för att driva separationen, där det partiella ångtrycket är drivkraften. Ett inkommande flöde separeras från destillatet genom ett hydrofobt mikroporöst membran, som inte släpper igenom vatten som vätska utan endast i form av ånga. Det innebär att processen kan generera ett rent vatten och genom den unika transportmekanismen kan värdefulla ämnen återvinnas, som kan koncentreras antingen i inkommande flöde eller i destillatet beroende på flyktighet och ångtryck. Så kan t.ex. fosfor och kalium anrikas i inkommande ström medan ammonium, som är mera flyktig, kan anrikas i destillatet med en återvinningsgrad överstigande 95 %. Processen påverkas negativt om flyktiga organiska ämnen passerar membranet och förorenar de återvunna produkterna. Ytaktiva ämnen kan förorsaka vätning av membranet, som då kan släppa igenom vattenfasen, vilket förstör processen. Utveckling av nya membran med speciella vätningsegenskaper kan avhjälpa problemen.

Elektrodialys (ED) med jonbytesmembran i ett elektriskt spänningsfält mellan anod och katod kan selektivt återvinna näringsämnen från avloppsvatten som produkter av mycket hög kvalitet. I processen dras katjoner mot katoden och anjoner mot anoden och mellan elektroderna finns jonbytesmembran, som kan vara katjonselektiva och endast släppa igenom katjoner, anjonselektiva och endast släppa igenom anjoner eller bipolära. ED kan selektivt återvinna fosfat med ett anjonselektivt membran eller fosforsyra och/eller ammonium med ett bipolärt membran som splittrar vattenlösningen i protoner och hydroxider. Igensättning av membranen kan förekomma beroende på elektrisk spänning, där igensättning av anjonmembran orsakas av negativt laddade humuspartiklar och av proteiner och igensättning av katjonmembran av kalciumföreningar. Igensättningen kan begränsas t.ex. genom att laddningen på elektroderna periodiskt kastas om.

Genom en kombination av membranprocesserna, antingen med varandra eller med andra processer för närsaltutfällning, kan effektiviteten av närsaltåtervinningen och diversifieringen av närsaltprodukten påtagligt förbättras och en nära nog fullständig återvinning av näringsämnen ur avloppsvatten eller slam kan uppnås samtidigt med en produktion av rent vatten av god kvalitet. Risken för ackumulering av oönskade ämnen i en kombinerad process måste även beaktas.

Närsaltåtervinning är en flerdimensionell utmaning, där det gäller att skapa en produkt som har en marknad och en accepterad agronomisk effekt. Jämförande odlingsförsök med struvit och ett kommersiellt fosforgödningsmedel visade t.ex. en försumbar skillnad i fosforupptag och tillväxt medan kväveupptaget blev lägre.

Slutsatser

Genomgången visade att

Källa: M. Xie, H.K. Shon, S.R. Gray, M. Elimelech. Membrane-based processes for wastewater nutrient recovery: Technology, challenges and future direction. Water Research 80 (2016) pp 210 – 221.

Hela artikeln från Water Research finns att köpa här.