Filtermaterial för fosforavskiljning i behandlingsvåtmarker

Internationell VA-utveckling 2/12

För att avskilja fosfor från avloppsvatten i små anläggningar kan en bädd med adsorberande filtermaterial vare ett enklare alternativ till kemisk fällning. Denna reviewartikel,som författats av Ulo Mander och Christina Vohla från universitetet i Tartu, Estland, med tre medförfattare, går igenom hela 79 filtermaterial som förväntas kunna användas i en sådan bädd och söker även samband mellan centrala egenskaper för dem.

Av: Jörgen Hanaeus

Filtermaterialen kan delas in i tre grupper: naturmaterial, industriella restprodukter och tillverkade material. Merparten har ett högt innehåll av kalcium eller kalciumoxid, CaO och ger ett pH av >7,0. I allmänhet råder brist på långtidserfarenheter för materialen, men flera indikationer anger att P-upptaget minskar påtagligt efter en 5-årsperiod för de flesta materialen. Igensättning är en uppenbar risk för materialen. Att kunna återanvända de förbrukade adsorbenterna är ett viktigt ändamål. Naturmaterialen har visat ett fosforupptag av maximum 40gP/kg (upphettad opoka)  de tillverkade materialen max 12gP/kg (Filtralite) och de industriella restprodukterna 420 gP/kg för någon masugnsslagg. P-avskiljningen visar viss korrelation med Ca- eller CaO-innehållet, R2ca 0,5, och även en svag korrelation med lösningens pH, R2 = 0,22. Kapcitetsbestämningarna har utförts på många olika sätt.

Materialen

Filtermaterialen är tänkta för användning i konstruerade våtmarker med vertikal strömning eller horisontell strömning under markytan. De databaser som använts vid inventeringen listas, liksom sökbegreppen. De naturliga materialsom beskrivs är 39 st, tillverkade material är 10 st och industriella restprodukter är 25st. Kontakttider mellan material och fosforlösning finns ofta angivna. Den vanligaste undersökningen är satsvisa blandningsförsök med filterkorn och fosforhaltig lösning. Maxkapaciteten anges efter beräkning av fosforhalten före minus efter dividerat med adsorbentmassan (anges i g P/kg). Alternativet är att pricka in punkter på en Langmuirisoterm och extrapolera till en önskad utgående fosforhalt. Andra alternativ är att använda sig av kolonnförsök, vilket mer liknar praktisk tillämpning, och jämföra in- och utgående fosforhalter. Mellanskillnadens fosfor har avsatts på adsorbenten vars massa bestämts inledningsvis. Rena fosforlösningar eller avloppsvatten används.

De idealiserade isotermerna har svårt att beskriva verkligheten och det är svårt att nå angivna maxkapaciteter i praktiken. En liten kornstorlek gynnar förstås adsorptionen, men innebär också en ökad risk för igensättning, vilket framgått av många av kolonnförsöken.

Det var svårt att finna en stark korrelation mellan den hydrauliska uppehållstiden och P-avskiljningen. Generellt verkar det finnas ett maxområde. För kort tid gör att kontakttillfällena mellan vätska och adsorbent blir för få, medan en överdrivet lång tid ger risk för utfällningar och igensättning. Lämplig tid verkar vara individuell för resp material.

Det visar sig svårt att bestämma en livslängd för adsorbentmaterialen. Redan i laboratoriemiljön genereras olika utfall för lika material och i fullskaletillämpningar tillkommer många faktorer. Andra jonslag än fosfor kan uppta adsorbtionsplatser, biofilmpåväxt är förstås inte ovanlig för avloppsvatten, sekundär adsorption kan förekomma (adsorption till redan adsorberat material, vilket är fördelaktigt), icke-optimal hydraulik (outnyttjade områden). Om kolonnmaterialet har haft en viloperiod, kan viss regenerering ske och adsorptionen överskattas. Utfallet är även beroende av P-koncentrationen i den använda lösningen. (Höga koncentrationer ger högre adsorption).

I många tidiga våtmarker användes, liksom i traditionella infiltrationsanläggningar, sand och grus för separation. Ofta blev P-effekten svag om inte materialen var Ca-rika (vid högt avloppsvatten-pH) eller rika på aluminium och/eller järn (lägre pH). Mineralkompositionen har alltså en avgörande betydelse.

Slutsatser

Artikeln ger en god beskrivning (exkl pris) av de många P-adsorptionsmaterial som lanseras.

Den är också lärorik för de som vill utföra experiment med några av materialen; det är viktigt att närma sig den praktiska tillämpning som avses. Lång försöksserie är mycket värdefull.

Några brister: i en så omfattande artikel nämns inte begreppet desorption. En omfattande lansering av adsorbentmaterial ger en stor volym restprodukter som behöver återanvändas. För ekonomi i processen bör en hygglig materialmängd kunna användas för ny adsorption.

Torv som adsorbent berörs bara ingenjörsmässigt, dvs torvmaterialet, som kan ha mycket varierande bakgrund, karakteriseras knappt.

Med rimliga antaganden om P-halt, avloppsvattenproduktion och 200 dygns nyttjande per år och kapaciteten 10g P/kg behöver en normalfamilj ca 120 kg adsorbent per år. En fungerande desorption med möjligt odlingsnyttjande av desorptionslösningen efterlyses.

I Sverige har en hel del arbete utförts på P-adsorbenter; t ex av Lena Westholm Johansson, Mälardalens Högskola, Gunno Renman, KTH och Annelie Hedström, LTH.

Källa: Christina Vohla, Margit Koiv, John Bavor, Florent Chazarenc, Ulo Mander (2011) Filter materials for phosphorus removal from wastewater in treatment wetlands – A review. Ecological Engineering 37, pp70-89.

Artikeln från Ecological Engineering går att köpa från utgivaren här