Återvinning av fosfor ur urin via separation och sköljning

Återvinning av fosfor ur urin via separation och sköljning med havsvatten. Den viktiga ammoniumbildningens kinetik. Fosfor kan fällas ur urin med hjälp av havsvattnets kalcium och magnesium. Ureaomvandlingen till ammonium har visats viktig för utfällningen. Här undersöks mikroorganismernas insats vid ureaomvandlingen till ammonium.

Av: Jörgen Hanaeus

Havsvattnet har visats vara ett ekonomiskt fällningsmedel vid fosforavskiljning ur separerad urin. Likaledes har ammoniumbildningen från urean visat sig viktig för fosforfällningen. Här undersöks i labförsök med bägare och med kontinuerlig reaktor hur bakterier från havsvattnet (främst)och urinen kan reglera ammoniumbildningen. En förkultivering av den blandade bakteriekulturen ökade ammoniumbildningen avsevärt och med <1,5 h uppehållstid för denna kunde fosforutfällningen klaras med 6 h uppehållstid. En SUPR-reaktor (Seawater-catalysed Urine Phosphorus Recovery-reactor) förväntas ge 95 % P-reduktion i urinen och olika proportioner mellan urin och havsvatten är möjliga.

Bakgrund

Fosforseparation från urin har visat sig vara en lovande metod för att fånga urin ur avlopp.

Havsvatten har nyligen provats som fällningsmedel via dess innehåll av magnesium- och kalciumjoner (i denna studie 1200 mg/L resp 470 mg/L). I Hongkong bedöms möjligheten särskilt intressant eftersom toalettspolning med havsvatten praktiserats där sedan 1958. För att få konceptet att fungera behövs högt pH, vilket åstadkoms via ureaupplösningen till ammoniak, ureolys. Denna åstadkoms av mikroorganismer men det är lite känt hur dessa reagerar i en blandning av urin och havsvatten, vilket denna studie söker svar på.

För ren urin med naturliga bakterier är ammoniumbildningen långsam och det tar mer än en månad för dem att få den fullständig. Det är för lång tid för att vara praktiskt tillämpbart. Vid fekalieinblandning räcker 20 dygn. I ledning med separerad urin går ureolysen snabbare till följd av bakteriebeläggningar. I havsvatten finns också flera bakterier som kan åstadkomma ureolys. Det bedömdes därför intressant att söka en ammoniumbildande bakteriell miljö i en blandning av urin och havsvatten.

Försök med resultat

Urin samlades in från urinaler vid universitetsbyggnaden i Hongkong och havsvatten togs från spolvattenmunstycket vid urinalerna. Lagring vid 4°C. Därefter satsvisa labförsök. Först förvarades komponenterna separat och bakteriella analyser visade 4,4 * 10⁵ celler/mL för havsvattnet och 3,9 * 10⁵ celler/mL för urinen. pH mättes också.

Så blandades havsvatten och urin i likadelar till 1 L varvid urean hydrolyserades och fosforfällningar bildades. Det fasta materialet separerades via centrifugering. Den fasta substansen blandades så i en steriliserad havsvatten-urin blandning för att stimulera bakterietillväxten. Processen upprepades fyra gånger, varvid komplett konvertering av urea till ammonium erhölls efter 4 h. Processen modellerades med Michaelis-Mentens ekvation.

Därefter byggdes en 0,8 L labreaktor med genomströmning; två koncentriska cylindrar (Φ66 resp 46 mm) med gemensam konisk botten för avtappning av fast material. Utfällningarna separerades veckovis i ett membranfilter med Φ 45 µm. Reaktorn drevs under en vecka med en hydraulisk uppehållstid av 24 h och daglig provtagning. Prov togs på bakteriefloran och diversiteten bestämdes. Uppehållstiden sänktes sedan till 6 h och efter 40 dygn togs slamprover från olika positioner i reaktorn och vidareodlades i andra blandningsproportioner för komponenterna: 1:1, 3:1, 9:1, havsvattnet nämnt först. Diversiteten var god men något lägre för de vägglevande bakterierna.

Diskussion

För fullständig ureolys tog det 160 h med naturliga havsvatten- och urinbakterier tillsammans, 195 h med enbart havsvattenbakterier och 240 h med enbart urinbakterier. Lagfasen tog i samtliga fall längre tid än 80 h, varför slutsatsen drogs att en förkultivering av bakterier vore önskvärd.

Då bildade bakterier återfördes till reaktorn via filtrering påskyndades ureolysen och efter 4 cykler blev den färdig efter endast 1,5 h.

I lab-SUPR-reaktorn bildades bakterieslam på väggarna. Reaktorn drevs med 6 h uppehållstid och utgående flöde stabiliserades vid 2800 mg ammonium/L och pH 9,3; fosforhalten sjönk från 180 mg/L till under 5 mg/L. Ureolysen var > 80 % och 97 % fosforåtervinning noterades.

Man kunde också visa att de vägglevande bakterierna stod för 90 % av ureolysen.

Slutsatser

Förkultivering av bakterier i en blandning havsvatten och urin visade sig kunna sänka tiden för ureolys avsevärt och därmed öka de praktiska möjligheterna till fosforåtervinning från urinen. Att kunna nyttja havsvatten(Mg, Ca) som fällningsmedel är förstås attraktivt och metoden är intressant i kustområden med fosforutsläpp och sötvattenbrist där urinsortering kan tillämpas.

Källa: Tang,W-T., Dai, J.^*, Liu, R. & Chen, G-H.(2015): “Microbial ureolysis in the seawater-catalysed urine phosphorus recovery system: Kinetic study and reactor verification.” Water Research 87, pp 10-19.

Hela artikeln finns att köpa här.

Författarna:

Department of Civil and Environmental Engineering, The Hong Kong University, of Science and Technology, Clear Water Bay, Kowloon, Hong Kong, China.        

Korrespondens och kontakt: Ji Dai, e-mail: cedj@ust.hk