Stort intresse finns för metoder för återvinning av fosfor som en ren produkt ur avloppsfrak-tioner. En ny process beskrivs, där fosforåtervinningen sker i en modifierad biobädd och där biofilmen anrikats med PAO.
Av: Bengt Andersson
Avskiljning av fosfor från avloppsvatten är angeläget för att minska övergödningen av sjöar och hav och allt mer skärpta krav ställs på utsläpp från avloppsreningsverk runt om i världen. Återföring av avskild fosfor till produktiv mark är lika angelägen eftersom tillgängliga fosforreserver på jorden är begränsade och framför allt de som är av bra kvalitet.
Biologisk fosforavskiljning är en processteknik som alltmer har kommit till användning istället för kemisk fällning. Avskild fosfor tas ut med producerat överskottsslam och det finns en intensiv debatt i många länder om lämpligheten att använda avloppsslam på produktiv mark för livsmedelsproduktion.
I artikeln föreslås en ny process, där avskild fosfor kan återvinnas som en koncentrerad vätskeström i stället för återvinning med överskottsslammet. Ingående processer är valda för att ge en mycket låg slamproduktion.
Process och drift
Processen är uppbyggd av försedimentering, av en process med UASB (up-flow anaerobic sludge blanket) och DHS (down-flow hanging sponge) för nedbrytning av organiskt material samt av en modifierad biobäddsprocess med anrikad PAO (fosfor ackumulerande organismer) i biofilmen. Primärslammet leds till en fermenteringstank för produktion av VFA (organiska fettsyror). Återvunnen fosfor tas ut från en bufferttank, som är en viktig del i ett recirkulerande system.
För att etablera en PAO-anrikad biofilm måste biofilmen utsätts för omväxlande anaeroba och aeroba förhållanden. Det åstadkoms genom en alternerande drift indelad i tre steg. 1) Vid den aeroba perioden sprinklas avloppsvattnet över bäddmaterialet och fosforinnehållet i vattnet assimileras av PAO i biofilmen. Det behandlade vattnet släpps ut till recipienten. 2) Vid den anaeroba perioden leds inget avloppsvatten till biobädden, som fylls med en recirkulerad fosforlösning och organiskt substrat från fermenteringstanken. PAO i biofilmen lagrar organiskt material samtidigt som ackumulerat fosfat släpps till den recirkulerande lösningen. 3) Vid slutet av den anaeroba perioden töms vattnet i bädden till bufferttanken och driften återgår till en aerob period. Genom att upprepa de alternerande cyklerna anrikas PAO i biofilmen och fosfatkoncentrationen i bufferttanken ökar tills en stabiliserad koncentrationsnivå uppnås. Då tas den koncentrerade fosforlösningen ut från bufferttanken.
Den totala cykeltiden är 16 timmar, varav den aeroba tiden är 12 timmar, den anaeroba tiden 3 timmar och 55 minuter och tömningen av reaktorn 5 minuter.
Försöken genomfördes i en anläggning i laboratorieskala med ett syntetiskt avloppsvatten. Försöken pågick i 255 dagar uppdelat i två faser, där den första fasen kan karakteriseras som en startperiod och den andra fasen drift vid stabila förhållanden. Vattenprov togs ut och analyserades med avseende på fosfat och COD. Prov från biofilmen togs ut i slutet av de två faserna och analys med hjälp av FISH-teknik gjordes för att identifiera vilka organismer som fanns i biofilmen.
Syftet med försöket var att undersöka om en PAO-anrikad biofilm kan etableras i en modifierad biobädd och om och hur långt fosfathalten kan koncentreras.
Resultat
Fas 1 omfattande 150 dagar och efter cirka 90 dagar uppnåddes jämvikt. Omkring 200 mg COD/l förbrukades under varje anaerob period. Fosfathalten minskade från 5 mg P/l i inkommande vatten till omkring 2,5 mg P/l i utgående vatten. Fosfathalten i den recirkulerande strömmen stabiliserades vid omkring 125 mg P/l, vilket är 25 gånger högre än inkommande fosfatkoncentration.
I slutet av fas 1 gjordes en studie av fosfat- och COD-koncentrationerna under en anaerob period. En stabil förbrukning av COD konstaterades under hela perioden på 240 minuter, vilket innebar att tillgången till organiskt substrat var tillräcklig. Fosfatkoncentrationen ökade från 111 till 123 mg P/l och massbalansberäkningar visade att lika mycket fosfat fördes bort ur processen som släpptes under den anaeroba perioden till den recirkulerande strömmen, vilket indikerar att reaktorn drevs i ett jämviktstillstånd. En kontroll visade även att mängden fosfat avskild under en cykel var lika stor som mängden fosfat som togs ut ur den koncentrerade fosfatströmmen.
Fosfathalten i utgående vatten i slutet av fas 1 följdes under hela den aeroba perioden på 720 minuter. I början var fosfathalten högre i utgående vatten än i inkommande vattenberoende på skiftet från anaeroba till aeroba förhållanden. Därefter minskade halten till 0,86 mg P/l efter 120 minuters drift för att sedan långsamt öka till cirka 3 mg P/l vid slutet av perioden. Omkring 20 % av fosfatmängden i utgående vatten under en aerob period kan härröras till de första 60 minuterna och om den initiala högre koncentrationen kan minskas skulle fosfatavskiljningen kunna ökas väsentligt.
Innehållet av fosfor i biofilmen bestämdes i slutet av den aeroba resp. anaeroba perioden. Skillnaden i mängd visar hur mycket fosfor som släpps resp. tas upp av biofilmen under resp. period. Skillnaden uppgick endast till 11 % av det genomsnittliga fosforinnehållet i biofilmen, vilket indikerar att det mesta av fosforn hålls kvar i biofilmen. FISH-analys visade att Accumilibacter var den dominerande bakterien i biofilmen och utgjorde cirka 30 % av bakteriemassan.
Fas 2, som omfattande drygt 100 dagar, kännetecknas av stabila förhållanden i ett fortsatt jämviktstillstånd. Under fas 2 modifierades driften så att utgående vatten under de första 60 minuterna av den aeroba perioden pumpades tillbaka till toppen av biobädden utan att vatten släpptes ut från processen. Det resulterade i att fosfatavskiljningen ökade från 50 till drygt 60 %.
Koncentrationen av fosfat i bufferttanken vid uttag uppgick till 125 mg P/l. Den kan ökas om volymuttaget från bufferttanken minskas. En massbalans för COD och fosfor visade att den maximala koncentrationen i uttagsströmmen kan bli så hög som 625 mg P/l. Detta är dock troligen i överkant eftersom andra begränsningar då uppkommer i processen.
Slutsatser
En modifierad biobädd användes för återvinning av fosfor ur avloppsvatten. Genom ett alternerande förfarande kunde en anrikning av PAO erhållas i biofilmen. Omkring 30 % av biofilmens totala bakteriemassa var PAO.
Återvunnen fosfor togs ut ur processen i en ström, där fosforkoncentrationen var 125 mg P/l, vilket är 25 gånger mer än koncentrationen i inkommande vatten. Det är teoretiskt möjligt att öka koncentrationen till mer än 125 mg P/l men då måste det göras en avvägning mellan önskad fosforkoncentration och återvinningsgrad.
Avskiljningen av fosfor ur avloppsvattnet uppgick till cirka 60 % och det är inte möjligt att öka avskiljningsgraden ytterligare vid konstant flödesbelastning.
Källa: H. Kodera, M. Hatamoto, K. Abe, T. Kindaichi, N. Ozaki, A. Ohashi. Phosphate recovery as concentrated solution from treated wastewater by PAO-enriched biofim reactor. Water Research 47 (2013) pp 2025 – 2032.
Hela artikeln från Water Research finns att köpa här.
