Förbättring av effektivitet och ekonomi för fosforåtervinn

Av: Bengt Andersson

Vid avloppsreningsverk med biologisk fosforavskiljning finns en stor potential för återvinning av fosforn i sidoströmmar från slamhanteringen både före och efter rötning eftersom fosforkoncentrationen är hög och volymströmmarna små. Utvinning av struvit från rejektvatten efter rötning med höga ammoniumhalter är väl belyst medan utvinning av fosfor från fosforrika strömmar med låga ammoniumhalter innan rötning har ägnats mindre intresse. 

Syftet med genomförd studie var att utvärdera fosforåtervinning från sidoströmmar från slambehandlingen både före och efter rötning. Utvärderingen baserades på återvinningsgrad och kostnader samt produkternas vatteninnehåll och partikelstorlek.

Genomförande

Försöken genomfördes som kristallisationsförsök av struvit och kalciumfosfat i laboratorieskala med syntetiska strömmar med ett innehåll av ammonium och totalfosfor motsvarande innehållet i sidoströmmar från slambehandlingen före och efter rötning. Försöken gjordes vid konstant temperatur 20 ^o C och vid olika pH (mellan 6,5 och 10,5 för utfällning av kalciumfosfat och mellan 7,5 och 9,5 för utfällning av struvit).

Övermättade lösningar för struvit och kalciumfosfat skapades genom dosering av magnesium resp. kalcium. För utfällning av kalciumfosfat gjordes försök vid Ca: P-förhållandena 1:1 som är minimum för utfällning och 1,67:1 som medför utfällning av hydroxyapatit (HAP). För utfällning av struvit gjordes försök vid Mg: P-förhållandena 1:1 som är det stökiometriska förhållandet och 1,67:1 för bestämning av optimal tillsats av magnesium. Potentiell fosforåtervinning bestämdes både genom försök och med hjälp av hydrodynamiska beräkningar. Bildade fosforföreningar bestämdes genom XRP (powder X-ray diffraction). 

Resultat

Uppnådd fosforåtervinning skiljde sig något från den teoretiskt beräknade återvinningen eftersom beräkningarna inte tog hänsyn till reaktionskinetik. Utfällning av kalciumfosfat vid Ca: P-förhållandet 1:1 visade ingen ökning vid pH över 8,5 eftersom kalciumkoncentrationen var begränsande. Återvinningen uppgick till knappt 70 % med HAP som huvudsaklig fosforförening. Vid pH 6,5 dominerade brushit med omkring 40 % återvinning och vid pH 7,5 transformerades bildad brushit till HAP med en återvinningsgrad av cirka 80 %. En ökning av förhållandet till 1,67:1 ökade utfällningen till drygt 90 % vid pH 8,5 och så gott som fullständigt vid pH över 9,5. 

Utfällningen av struvit ökade med ökande pH upp till pH 8,5 – 9 med en återvinning av mer än 90 % oavsett molförhållande Ca :P. Effekten av pH var större än effekten av högre molförhållande beroende på en snabbare reaktionskinetik vid högre pH. Struvitkristaller bildades oavsett förhållanden med något olika morfologi beroende på pH. Vid samma pH och molförhållande var återvinningsgraden högre för struvit än för kalciumfosfat. 

Partikelstorleksfördelning och vatteninnehåll är viktiga egenskaper för drift och användning av produkterna. En homogen fördelning av partikelstorleken med ett minimalt bidrag av mindre partiklar innebär enklare efterbehandling och mindre risk för utspolning från reaktorn. Bäst filtrerbarhet uppnåddes vid pH 7,5 både för kalciumfosfat- och struvitutfällning beroende på större partikelstorlek och mindre storleksspridning. Generellt var filtrerbarheten störst för struvit följd av brushit och av HAP. Vatteninnehållet var högre för HAP (48 %) och brushit (23 %) än för struvit (8 %) beroende på att struvitpartiklarna var större än kalciumpartiklarna. 

En ekonomisk utvärdering av alternativen till fosforåtervinning gjordes genom att beräkna kostnaden för kemikalier, elenergi och drift och underhåll. Resultatet visade att optimala förhållanden med hänsyn till kostnad och fosforåtervinning uppnåddes med ett Ca :P- resp. Mg :P- förhållande av 1,67:1 vid pH-värdet 8,5. En ökning av pH-värdet över 8,5 var inte kostnadseffektiv beroende på högre kostnader för pH-justering. Näringsvärdet av struvit är större än kalciumfosfatprodukterna eftersom struvit innehåller både P och N samt Mg. Däremot är kalciumfosfat ett bättre alternativ som sekundärt råmaterial vid produktion av kommersiella gödningsprodukter eftersom innehållet av magnesium motverkar de kemiska processerna vid NPK-tillverkning.  

Värdering av föreslagen strategi gjordes för ett avloppsreningsverk med försedimentering, med biologisk fosforavskiljning och med slambehandling genom förtjockning/avvattning av primär- och överskottsslam, rötning och slutlig avvattning av det rötade slammet med rejektvattenåterledning före resp. efter rötningen. Värderingen baserades på massbalanser och uppskattade kostnader. I alternativ 1 fanns en P-stripper för rejektet före rötningen men inte efter, i alternativ 2 fanns en P-stripper för rejektet efter rötning med inte före och i alternativ 3 fanns P-stripper för båda rejekten med återvinning av kalciumfosfat resp. struvit. Värderingen visade att alternativ 1 gav lägre P-återvinning men uppvisade ändå en rimlig återvinning samt en minskad återföring av fosfor till inloppet av verket. Vid en jämförelse av alternativ 2 och 3 experimentella data nödvändiga eftersom P-återvinningen i alternativ 3 var beroende av återvinningen före rötningen. Kostnaden för återvinning av 1 kg P i alternativ 3 var mellan 40 och 60 % lägre än i alternativ 2 och med annat val av kemikalier skulle kostnaderna kunna minskas ytterligare.

Slutsatser

En utvärdering av fosforåtervinning från sidoströmmar från slambehandlingen både före och efter rötning visade att

Källa: S. Shaddel, S. Ucar, J-P. Andreassen, S.W. Österhus. Enhancing efficiency and economics of phosphorus recovery process by customizing the product based on sidestream characteristics – an alternative phosphorus recovery strategy. Water Science & Technology, 2019, 79.9, pp 1777 – 1789.

Hela artikeln från Water Science & Technology finns att köpa här.