Fosforåtervinning i form av struvit är en relativt billig teknik jämfört med andra tekniker för återvinning av fosfor. Genom utfällning av struvit från rötslammet kan en rad drifttekniska fördelar uppnås jämfört med utfällning från rejektvattnet. Metoden konstaterades i en fullskalestudie vara mer ekonomiskt riskfylld och osäker än utfällning från rejektvattnet även om den visade sig ha en väsentligt högre avkastningspotential.
Av: Bengt Andersson
I Belgien föreligger förbud mot spridning av slam på åkermark och andra lösningar för fosforåtervinning måste utvecklas. Tillgängliga alternativ bygger på återvinning från fosforrika delströmmar som rejektvatten från slamavvattningen eller på återvinning från aska efter slamförbränning. I det första fallet används kemisk utfällning av ortofosfat med Mg (struvit) eller Ca (apatit) och i det andra fallet utnyttjas sur eller basisk utlakning eller termisk behandling vid hög temperatur.
En ofta tillämpad och prisvärd metod för fosforåtervinning är utfällning i form av struvit, som är en långsamt tillgänglig fosforkälla som kan utnyttjas tillsammans med kommersiella fosforgödningsmedel. Normalt sker utfällningen av struvit från rejektvattnet från slamavvattningen men samma process kan även tillämpas direkt på slamfasen. Härigenom skulle en rad fördelar kunna uppnås som en förbättrad avvattningsbarhet av slammet, en högre potential för avskiljning av fosfor, en minskad igensättning av rör och utrustning för rejektvattnet och en lägre fosforhalt i det avvattnade slammet. Metoden förutsätter en process med biologisk fosforavskiljning och rötning av slammet.
Refererad studie med fosforåtervinning av struvit från rötslammet genomfördes vid en fullskaleanläggning i Leuven i Belgien. Vunna erfarenheter från det första årets drift av anläggningen presenterades i en första artikel med en kvantifiering av tänkbara driftfördelar med utfällning från rötslammet. Resultatet låg till grund för en analys av kostnad/nytta och en känslighetsanalys vad gäller ekonomi och risker vid utfällning av struvit från rötslammet, presenterad i en andra artikel.
Genomförande av undersökningen
Avloppsreningsverket i Leuven belastas med avloppsvatten från 120 000 p.e. och ett flöde av 40 000 m3/d. Verket är utformat för långtgående biologisk fosfor- och kväveavskiljning med en genomsnittlig fosforavskiljning av cirka 83 %. Slambehandlingen omfattar förtjockning, rötning, struvitutfällning och avvattning. Struvitreaktorn består av en reaktorn med en tank för CO2-strippning före reaktorn. MgCl2 och vid behov NaOH för pH-justering doseras till reaktorn. Struvitkristallerna avskiljs från slammet i en cyklon och kristallerna kan recirkuleras eller tas ut ur processen.
Uppföljningskampanjer genomfördes för varje årstid med en omfattande provtagning och analys från 7 provtagningspunkter i slambehandlingsanläggningen. Analysprogrammet utgjordes av pH, TS, kväve- och fosforfraktioner och Mg, CA och Al samt elementaranalys av kristallerna. Avvattningstest gjordes för varje årstid med hjälp av en mobil filterpress med slam uttaget före resp. efter struvitreaktorn.
Resultaten från det första årets drift användes för beräkning av kostnad/nytta med hjälp av en ekonomisk modell, där hänsyn tagits till viktiga kostnader och utgifter. Modellen beräknade erforderligt pris per ton återvunnen struvit för att betala av installationen på 10 år. En känslighets- och osäkerhetsanalys gjordes genom ett stort antal Monte Carlo simuleringar med varierande indata av 17 olika parametrar. Slutligen jämfördes beräkningarna för återvinning av struvit från rötslam med beräkningar för återvinning från rejektvattnet.
Resultat
Uppföljningen av processen under det första driftåret visade att en avskiljning av 80 % av fosforn i inloppet till struvitreaktorn uppnåddes med en Mg/P-dosering av 1,75 och med ett pH av 7,5 i reaktorn. Det motsvarar en maximal återvinningspotential av 15 % av den totala fosforbelastningen på verket. Fosforåtervinning genom struvitutfällning är generellt maximerad till cirka 20 % av inkommande fosforbelastning.
Det största nackdelen med en återvinning från rötslammet var svårigheten att avskilja struvitkristallerna från slammet. Endast cirka 25 % av den bildade struviten kunde avskiljas med utnyttjad metod och det begränsade återvinningen till cirka 4 % av inkommande fosformängd. Andra kompletterande metoder avsågs utvecklas.
Processen medförde en halvering av återföringen av fosfor från slamhanteringen till huvudvattenströmmen, vilket innebar att internbelastningen av fosfor minskade från cirka 15 till 7,5 %. Teoretiskt medför detta en ökad potential för fosforavskiljning genom bioP.
Genom struvitutfällningen minskade koncentrationen av ortofosfat i rejektvattnet kraftigt och koncentrationen av ammonium i mindre omfattning. Detta torde minska hastigheten för igensättning av rörledningar och annan utrustning nedströms processen men den positiva effekten på underhållsbehovet av pumpar och avvattningsutrustning erfordrar en utvärdering under längre tid.
Slammets avvattningsbarhet förbättrades även om skillnaderna inte var statistiskt signifikanta. Det uppskattades att en högre TS-halt i det avvattnade slammet med cirka 1,5 % TS kunde uppnås under förutsättning att doseringen av magnesium var tillräcklig och att en kraftig luftning upprätthölls för att öka CO2-strippningen så att behovet av dosering av soda minskades. Förbättringen av avvattningsegenskaperna förklarades med en ökad bryggbildning på grund av en högre kvot mellan tvåvärda och envärda joner i slammet. Det visade sig även viktigt med en anpassning av valet av polymer vid avvattningen.
Elementaranalyser visade att ren struvit bildades i processen och att kalcium endast fanns i mycket begränsad omfattning. Fosforinnehållet uppgick till 12,2 %, vilket är nära det teoretiska värdet 12,6 %. Produktens renhet var hög med mycket låga halter av tungmetaller och organiskt material.
Kostnaden för återvinning av struvit från rötslammet vid en inkommande koncentration av 220 mg PO4-P/l beräknades till 4,40 Euro/kg P motsvarande 530 Euro/ton struvit med använda förutsättningar och 10 års avbetalning. Simuleringar av olika scenarios gav en variation mellan 0 och 17,5 Euro/kg P och att det även fanns scenarios, där kostnaden var lägre än nuvarande marknadspris för struvit på 50 Euro/ton. Motsvarande kostnad för återvinning från rejektvattnet med samma inkommande fosforkoncentration uppgick till 3,93 Euro/kg P med en variation mellan 2,54 och 5,55 Euro/kg P. Vid en minskning av inkommande fosforhalt till 110 mg/l vid återvinning från rejektvattnet ökade kostnaderna mycket kraftigt.
Känslighetsanalysen visade att lönsamheten för återvinning från rötslammet påverkades mest av slammets avvattningsbarhet och av återvinningsgraden (45 resp. 20 % förklaringsgrad) medan lönsamheten vid återvinning från rejektvattnet påverkades mest av inkommande fosforhalt (70 % förklaringsgrad).
Slutsatser
Studien visade att
- omkring 15 % av inkommande fosformängd kunde återvinnas i form av struvit från rötslammet men endast 25 % av struviten kunde avskiljas från slammet i den utrustning som installerats
- struvitutfällning från rötslammet halverade fosforåterföringen med rejektvattnet från slamavvattningen till huvudvattenströmmen med en möjlig ökning av potentialen för fosforavskiljning vid verket
- slammets avvattningsbarhet förbättrades genom ett ökat förhållande mellan halten bivalenta och monovalenta joner i slammet
- en investering i en anläggning för återvinning av struvit från rötslam är mera osäker och ekonomiskt riskfylld än för en anläggning för återvinning från rejektvatten men metoden hade en väsentligt högre avkastningspotential
Källor: A. Marchi, S. Geerts, M. Weemaes, S. Wim, V. Christine. Full-scale phosphorus recovery from digested wastewater sludge in Belgium – part I: technical achievements and challenges. Water Science & Technology 71.4 (2015) pp 487 – 494.
S. Geerts, A. Marchi, M. Weemaes. Full-scale phosphorus recovery from digested wastewater sludge in Belgium – part II: economic opportunities and risks. Water Science & Technology 71.4 (2015) pp 495 – 502.
