Fosfor- och kväveåtervinning baserat på kemisk efterfällning med upplösning av fosfor och koagulanter i slammet med syra kan utgöra ett nytt unikt koncept för en integrerad återvinning och konceptet är en del av det finska programmet för cirkulär ekonomi.
Av: Bengt Andersson
Under de senaste årtiondena har teknologier utvecklats för avancerad återvinning av fosfor från avloppsslam och rejektvatten främst för reningsverk med biologisk fosforavskiljning, slamrötning eller slamförbränning. Återvinningsgrad, innehåll av toxiska ämnen, ekonomi och gödselvärde för produkterna varierar mellan de olika alternativen. Det finns endast ett fåtal tekniker med jonbyte eller selektiva absorbenter för fosforåtervinning från utgående avloppsvatten beroende på den låga koncentrationen och den stora volymströmmen.
Återvinning av kväve har inte samma angelägenhetsgrad som fosfor beroende på en riklig förekomst i atmosfären. Kväveåtervinning har begränsats till kväverika strömmar som t.ex. rejektvatten och genom ammoniumåtervinning ur rejektvatten minskas energibehovet för den biologiska reningen. Dessutom kan ammoniumproduktion från Haber-Bosch syntesen, som bidrar med ett mycket stort CO2-avtryck, ersättas.
RAVITA-konceptet har utvecklats vid HSY i Helsingfors (Helsinki Region Environmental Service Authority) med stöd av det finska miljödepartementet och det ingår som en del av det finska programmet för cirkulär ekonomi. Huvudprincipen bygger på fosforåtervinning genom efterfällning av hela avloppsflödet med en potentiellt mycket hög återvinningspotential större än 70 %. Konceptet är under utveckling och refererad studie visar inledande resultat i pilot- och laboratorieskala.
RAVITA-konceptet
Det första steget i RAVITA-konceptet utgörs av kemisk fällning och avskilt kemslam förtjockas för att öka TS-halten i slammet. I det andra steget sker en upplösning av slammet med fosforsyra (H3PO4), där fosfor och fällningsmetaller går i lösning vid sura förhållanden. Fosfor och metaller separeras från varandra genom jonbyte eller extraktion och avskilda metaller kan återanvändas i fällningssteget. Slutprodukten fosforsyra återanvänds delvis i upplösningssteget och överskottet kan utnyttjas som råvara vid tillverkning av gödselmedel.
Processen kan även kombineras med kväveåtervinning genom ammoniumstripping från rejektvatten. Om en del av fosforsyran från fosforåtervinningen används vid tvättningen av gasen från strippningen bildas ammoniumfosfat ((NH4)3PO4), som är ett högvärdigt gödningsmedel.
Genomförande
Försöken genomfördes i pilot- och i laboratorieskala vid Viikinmäki reningsverk i Helsingfors. Utgående avloppsvatten från reningsverket utgjorde inkommande vatten till en pilotanläggning för kemisk fällning med en storlek motsvarande 1000 p.e. Aluminiumsalter användes som koagulant tillsammans med anjon- eller katjonpolymerer och för avskiljning av flockarna användes ett skivfilter.
Slamprocessen studerades i laboratorieskala med slam från pilotanläggningen och försök gjordes med saltsyra, svavelsyra, fosforsyra och natriumhydroxid för upplösningen med olika syradosering, syrakoncentration, temperatur, uppehållstid och antal steg för upplösningen. Genom faktoranalys och statistiska test bestämdes vilka parametrar som hade en signifikant inverkan på upplösningen.
Resultat
Inledande försök visade att optimalt molförhållande mellan Al och P var 2,6 mol/mol för att säkerställa en utgående halt på högst 0,5 mg P/l och med en polymerdosering av 1 mg/l. Anjonpolymerer gav ett något bättre resultat än katjonpolymerer. Det var möjligt att uppnå en fosforavskiljning högre än 90 % med en enstegs fällningsprocess men en tvåstegsprocess bedömdes som säkrare för att minska riskerna för höga fosforhalter i utgående avloppsvatten.
Pilotförsöken visade att flockbildningen var mest kritisk för att uppnå stabila förhållanden i skivfiltret. På grund av den låga partikelkoncentrationen i inkommande vatten erfordrades en recirkulering av rejektvatten från skivfiltret till fällningssteget för att skapa kärnor för nya flockar. Uppehållstiden för flockningen hade ingen effekt på fosforavskiljningen medan en längre uppehållstid förbättrade driften av skivfiltret. Förtjockning av kemslammet från skivfiltret erfordras med målsättningen att kunna uppnå en TS-halt av åtminstone 1 %.
Försöken med upplösning av slammet visade bra resultat för alla syrorna och för NaOH och fosforsyra valdes för att den kunde recirkuleras inom processen. Vid optimala förhållanden var en upplösning av mer än 95 % av fosforn och omkring 85 % av aluminiumet möjlig.
Preliminära tester med jonbytare visade att det var möjligt att separera P och Al från varandra och använda dem som separata fraktioner. Återvinningsgraden uppgick till mellan 44 och 66 % och det var möjligt att öka den genom optimering. Lösningsmedelsextration med ett organiskt lösningsmedel var en annan metod som undersöktes. Inledande försök visade att 97 % av Al kunde överföras till den organiska fasen och genom ytterligare behandling genom strippning med svavelsyra kunde över 90 % avskiljas i form av en aluminiumsulfatlösning.
Slutsatser
RAVITA har utvecklats vid HSY i Helsingfors som ett nytt koncept för en integrerad fosfor- och kväveåtervinning genom kemisk efterfällning och upplösning av fosfor och metallsalt i slammet genom syrabehandling. En inledande studie visade att
- konceptet kan appliceras vid alla typer av reningsverk, återvinningen av fosfor kan maximeras och metallsalterna för den kemiska fällningen kan recirkuleras
- ytterligare studier av behandlingen av slammet erfordras och en ny större demoanläggning kommer att tas i drift under 2019 för fördjupade studier i halvteknisk skala.
Källa: L. Rossi, S. Reuna, T. Fred, M. Heinonen. RAVITA Technology – new innovation for combined phosphorus and nitrogen recovery. Water Science & Technology 78.12 (2019), pp 2511 – 2517.
Hela artikeln från Water Science & Technology finns att köpa här.
