Här presenterar tyska materialforskare en nyutvecklad metod – SESAL-Pho – som kombinerar sur och alkalisk lakning av aska från förbränning av avloppsslam för att återvinna fosfor och metaller. Höga P-återvinningsvärden, 70-77% utlovas.
Av: Jörgen Hanaeus
Sammanfattning
Fosfor är en begränsad resurs (i koncentrerad form) som i avloppsreningen binds till slamfas via metallfällning eller biologisk fosforreduktion. Återanvändning av fosfor och metalljoner är angeläget. Flera lakningssätt har provats för att frigöra fosfor och i artikeln görs en kortfattad genomgång av de vanligaste lakningsprinciperna för slamaska, inklusive för- och nackdelar. En sekvens av sur och alkalisk lakning föreslogs i stället och laboratorieförsök presenterades med askor från fyra tyska slamförbränningsanläggningar. Goda analysmetoder medgav massbalanser.
Hög P-återvinning uppnåddes och kemikalieåtgången var inte större än för liknande metoder.
En underskattad källa till återvinningsbar aluminium i slammet noterades vara zeoliter från tvättmedel.
Bakgrund
Alla våtkemiska metoder som nyttjas börjar med syradosering till ett pH <2,vilket frigör fosfor men även löser metaller. Utfallet beror bl a på använd syra (HCl eller H2SO4) och dominerande fosforbindning i askan, Al-P, Fe-P eller Ca-P. Den sura lakningen kräver teoretiskt 3 mol H+ /mol P, men i praktiken en hel del mer eftersom t ex flera metalloxider också löses. Erfarenhetsdata från 20-talet askor presenteras där molförhållandet H+/P varierar mellan 2,7 (!) och 14 och där syraåtgången angiven som kg syra/kg aska varierar mellan 0,3 och 0,7. Då är andelen löst P (löst P/totalt P) med något undantag >90 %.
För att få en användbar P-gödselprodukt måste tungmetallerna separeras från lösningen; det är också önskvärt att Fe och Al skiljs från P-lösningen. All Al kommer f ö inte från fällningskemikalie utan från zeoliter som använts som detergenter vid tvätt. Kvoten Al/P kan på molbasis uppgå till 0,5 bara av detta skäl.
För att befria lösningen från dessa katjoner finns flera metoder: Sekventiell lakning, vätske-vätskeextraktion (PASCH-processen), sulfidfällning, katjonbytare och nanofiltrering.
Den sekventiella lakningen använder H2SO4 varvid P och metaller går i lösning men Ca fälls som CaSO4. Därefter höjs pH, vilket fäller Al-P medan de flesta tungmetaller förblir lösta. Tungmetallinnehållet kan minskas ytterligare med sulfidfällning. Metoden gynnas av Al-rika askor (från verk med Al-fällning). Ett värdepar 600 g H2SO4/ kg aska och 300g NaOH/ kg aska har rapporterats.
Då Al-P inte kan direktanvändas som gödsel behöver denna produkt lösas med mera OH, varefter den fälls som Ca-P. Sammantaget blir behovet minst 4,2 mol H+/mol P och 7 mol OH–/mol P.
Vätske-vätskeextraktion och sulfidfällning separerar tungmetaller väl, men lämnar Al i lösning. När pH höjs med CaO faller högst hälften som Ca-P men en stor del som Al-P vilket minskar produktens värde som gödsel. Möjligen kan Al-P separeras med en tillkommande sekventiell fällning (NaOH och Ca-joner). Åtgången av NaOH blir här hög och lämpar sig bara om ingående Al-halter är låga.
Katjonbyte inkl Al-byte har provats med teknisk framgång, men regenereringsprocessen gav dålig ekonomi och har därför inte slagit igenom.
Nanofiltrering via membran har hittills störts av att mycket P stannade vid membranen på grund av höga Al-halter.
Konsekvensen idag är att av från sur lösning P-återvinnande metoder idag finns driftsmässiga data enbart från vätske-vätskeextraktion, sulfidfällning och sekventiell fällning. De första två processerna lämpar sig för Fe-rika askor och eliminerar inte Al från den sura lakvätskan medan den sekventiella fällningen passar endast Al-rika askor och även konsumerar mycket NaOH.
Ett nytt alternativ föreslogs då: den direkta alkaliska upplösningen av fosfor. Då löses de amfotera Al-P-komponenterna medan de flesta metallkomponenterna stannar i askan. I ett följande steg kan Ca-P fällas vid högt pH, >13, via tillsats av CaCl2. Man fann dessutom att den löst mängden P kan ökas från 25 till 67 % genom ett förbehandlande syrasteg som främst eliminerar löst Ca utan att lösa P. Ett högt P/Ca förhållande förbättrar nämligen den alkaliska fosforlakningen avsevärt.
Försök
Experiment genomfördes med fyra askor av varierande Al-Fe-Ca komposition och ett P-innehåll av ca 10 vikts%, hämtade från tyska avloppsverk i drift (Al-fällning eller Fe-fällning).
Lakningsförsöken understöddes av goda laboratoriemetoder som möjliggjorde analyser av såväl vätska som fasta produkter under hela processen.
De fyra försöksaskorna analyserades och surgjordes med HCl och lösningen skiljdes från askan via centrifugering. Därefter tillsattes NaOH för att se om mängden alkaliskt lakbar fosfor hade ökat via syrabehandlingen. Man fann att så var fallet. Orsaken var att vid ett pH ca 3 frigjordes Ca-P bindningar och den frigjorda fosforn omvandlades direkt till amorf Al-P. HCl föredrogs framför H2SO4 då den senare bildade CaSO4 varför Ca ej kunde avskiljas i lösning.
Sedan det mesta Ca-innehållet avskiljts med den sura (HCl) lösningen kunde den direkta alkaliska fosforlakningen genomföras framgångsrikt; med höga P/Ca–värden. Sedan drygt 70% av fosforn överförts i lösning kunde den fällas med CaCl2 vid högt pH och en förhållandevis ren gödselprodukt blev resultatet.
Resultat
Genom förbehandlingen av aska med HCl kunde den alkaliskt lakbara fosforandelen ökas från ca 30% till drygt 70% med vad som kommit att kallas SESAL-Pho-metoden.
Slutsatser
Återföringen av näringsämnen från avloppsslam är ju ett ämne som diskuterats och debatterats i många år; med långsam framgång kan man tillägga. Numera accepteras arbete längs flera linjer; källseparering, val av växtslag mm och föreliggande artikel följer ett industriparadigm med förbränning av slam till aska och därefter ansträngningar att återvinna så mycket av fosfor och metaller som möjligt. Artikeln förmedlar intressanta titrerkurvor och uppgifter om metallinnehåll från askförsöken.
Flera svenska arbeten på området är genomförda, bl a via Kemira. Artikeln är ett intressant bidrag till ambitionerna att skapa ett så rationellt system som möjligt, med hög fosforåtervinning i en form som passar efterföljande nyttjandesteg och med god metallåtervinning. Rena fraktioner och med så låg kemikalieförbrukning som möjligt.
Källa: Tidskrift: Petzet, Sebastian;Peplinski, Burkhard; Cornel, Peter: On wet chemical phosphorus recovery from sewage sludge ash by acidic or alkaline leaching and an optimized combination of both. Water Research (46) 3769-3780.
Artikeln kan köpas direkt från utgivaren här.
Författarna: Petzet och Cornel från Darmstadt Tekniska universitet (IWAR institute), Peplinski från BAM, federalt institut för materialforskning, i Berlin.
Korrespondens: s.petzet@iwar-tu-darmstadt.de
