Avskiljning och återvinning av löst fosfat från utgående

Avskiljning och återvinning av löst fosfat från utgående avloppsvatten med återanvändbar ZnFeZr adsorbent och magnetisk avskiljning. Med en adsorbent på skräddarsydda manetiskt separerbara partiklar kunde en avskiljning av fosfat med mer än 90 % uppnås och partiklarna återvinnas. Genom regenerering uppnåddes en ökad fosfatkoncentration lämplig för P-återvinning genom struvitutfällning.

Av: Bengt Andersson

Många metoder för återvinning av fosforfraktioner från avloppsvatten bygger på lösningar med återvinning av fosfor från slam eller aska efter förbränning. Fosfat kan även återvinnas direkt från avloppsvattnet genom sorption, som är en effektiv metod för avskiljning av lösta ämnen med låg koncentration. Med rätt adsorbent kan även en återvinning av fosforn genom desorption uppnås med en lämplig regenereringsvätska.

Det finns flera naturliga eller tillverkade material med goda fosfatadsorptionsegenskaper. För en kommersiell användning i fullskala erfordras att materialet är billigt, selektivt, stabilt, avskiljningsbart, återanvändningsbart, lätt att tillverka utan toxiska utgångsämnen och enkelt att hantera med minimal dosering. Tidigare studier av möjliga adsorbenter för avskiljning av fosfat visade att ZnFeZr-baserad hydroxidfällning uppvisade goda egenskaper i neutralt pH-område mellan 6 och 8.

I refererad studie gjordes försök med en ZnFeZr-adsorbent applicerad på ytan av superparamagnetiska partiklar. Syftet med refererad studie var att klargöra möjlig adsorption och desorption och påverkan av olika processparametrar genom försök i laboratorieskala och att verifiera konceptet vid en uppskalning.

Genomförande

Syntesen av de magnetiska bärarpartiklarna av järn- och kiseldioxid och beläggningen av adsorbenten på partiklarna utfördes enligt en metodik utvecklad i tidigare studier. En karakterisering av partiklarna gjordes med hjälp av elektronmikroskopering.

Utgående avloppsvatten från ett avloppsreningsverk i Stuttgart användes vid försöken. Fosfathalten vid försöken uppgick till 10 mg PO₄-P. Doserade partiklar med adsorbent var suspenderade i avloppsvattnet och de avskildes med hjälp av en permanent magnet för återanvändning i nästa cykel efter regenerering i en 1M natriumhydroxidlösning. Fosfatkoncentrationen ökade gradvis i regenereringsvätskan.

Inledande laboratorieförsök utfördes för bestämning av adsorptionskinetiken vid olika processparametrar och resultatet anpassades till Langmuir och Freundlich jämviktsmodeller. Laboratorieförsök över 60 cykler med adsorption/desorption utfördes med variation av doseringen av partiklar, uppehållstid för adsorption och desorption och pH-värdet.

Resultatet från laboratorieförsöken låg till grund för valet av parametrar för pilotförsöken, där 100 l avloppsvatten behandlades per cykel under 20 cykler. Med en hög koncentration av fosfat i regenereringsvätskan var struvitutfällning en lämplig metod för fosforåtervinning.

Resultat

Karakteriseringen av partiklarna genom elektronmikroskopering visade att de bestod av kristallina nanopartiklar av zinkoxid omgivna av amorfa zink-, järn- och zirkoniumoxider. Experimentella data visade god överensstämmelse en pseudo-andra ordningens kinetik och att kemisorption var den dominerande processen för adsorption av fosfat. Freundlich modell överensstämde bäst med data och modellen visade att adsorbent-belastningen inte kan överstiga 17 mg P/g för en utgående fosforkoncentration av mindre än 0,5 mg PO₄-P/l. 

Laboratorieförsöken visade att med en partikeldosering av omkring 5 g/l (0,865 g/l ZnFeZr-adsorbent), med en uppehållstid av 20 minuter för både adsorption och desorption, med pH omkring 7 vid adsorption och 13 vid desorption och med en tvättning av partiklarna mellan varje cykel uppnåddes en fosfatavskiljning högre än 90 %.

Pilotskaleförsök demonstrerade en lyckad 50-faldig uppskalning av tekniken genom behandling av 1,5 m³ avloppsvatten under 20 cykler. En partikeldosering av 4,4 g var tillräcklig för att inledningsvis uppnå en utgående koncentration av < 0,05 mg PO₄-P/l efter 20 minuter kontakttid vid pH 7. Avskiljningen minskade dock efter hand på grund av förlust av partiklar vid avskiljning och regenerering. Efter 20 cykler uppgick avskiljningen av fosfat till 92 % med en utgående halt av 0,76 mg PO₄-P/l.

De fosforladdade partiklarna regenererades i 1 M NaOH under 20 minuter vid pH 13, där desorption av fosfor ägde rum. Desorptionslösningen koncentrerades gradvis med fosfatjoner genom en konstant återanvändning med en 38-faldig anrikning (380 mg PO₄-P/l) jämfört med ursprunglig halt av 10 mg P/l.

Metodiken innebar att fosfatkoncentrationen kunde ökas från 10 till flera hundra mg PO₄-P/l, vilket var lönsamt för utfällning av struvit. Med ett Mg:NH₄:PO₄ förhållande av 1,5:1,5:1 kunde mer än 95 % resp. 98 % av fosforn utfällas till struvit efter 15  resp. 60 minuters kontakttid. En analys visade att karakteristiska struvitkristaller med hög renhet bildades.

Slutsatser

Genomförda försök med en adsorbent på skräddarsydda manetiskt separerbara partiklar visade genom laboratorieförsök och pilotförsök att

Källa: A. Drenkova-Thutan, M. Schneider, M. Franzreb, C. Meyer, C. Gellermann, G. Sextl, k: Mandel, H. Steinmetz.  Pilot-scale removal and recovery of dissolved phosphate from secondary wastewater effluents with reusable ZnFeZr adsorbents @ Fe₃So₄/SiO₂ particles with magnetic harvesting. Water Research 109 (2017), pp 77 – 87.

Hela artikeln från Water Research finns att köpa här.