Separation av metaller och fosfor från aska från

En upplösning av fosfor och metaller i aska från slamförbränning genomfördes i en biologisk acidifieringsprocess med svaveloxiderande bakterier och med tillsatsmaterial uteslutande i form av restprodukter från avloppsreningsverk. Olika metodik för utfällning av upplöst fosfor och separering av metaller undersöktes.

Av: Bengt Andersson

I Japan förbränns omkring 1,5 miljoner ton avvattnat slam per år och omkring 70 % av askan från förbränningen används som råmaterial vid olika byggprojekt. Eftersom askan innehåller cirka 10 % fosfor finns intresse av att utnyttja askan som gödning men metallhalterna är för höga för direktanvändning. Olika metodik för att avskilja fosfor ur askan har undersökts. Behandling med alkali (t.ex. natriumhydroxid) vid 40 ^oC visade sig kunna lösa ut cirka 60 % av fosforn och den upplösta fosforn kunde återvinnas som kalciumfosfat, som är växttillgänglig.

En högre upplösningsgrad kan uppnås genom behandling med syra vid 30 ^oC. Surgöring av aska till ett pH-värde lägre än 2 medför en upplösning av Al och Fe, fosfor och tungmetaller. Som ett alternativ till dosering av syra kan en mikrobiologisk acidifieringsprocess med svaveloxiderande bakterier användas. Förutom bakterier erfordras då en svavelkälla och näringsämnen.

Vid neutralisering efter acidifieringen till pH 4 sker en utfällning av fosfor i huvudsak i form av aluminiumfosfat, vilken dock inte är direkt växttillgänglig och därför mindre lämplig som gödning. Därför erfordras en metodik där fosfor, aluminium och tungmetaller hålls isär och där fosforn fälls ut som kalciumfosfat eller järnfosfat.

Avsikten med refererad studie var att belysa effekten av mikrobiologisk surgörning av aska från slamförbränning vad gäller utlösningsgraden av fosfor och metaller samt att klargöra om utlöst fosfor kan återvinnas så att produkten kan lämpa sig som gödselmedel.

Genomförande av undersökningen

Studien genomfördes i en semi-batch reaktor i laboratorieskala med aska från slamförbränningsanläggningen vid avloppsreningsverket i Iwate Prefecture, Japan. Acidofila svaveloxiderande bakterier isolerades från rötslammet, erforderliga näringsämnen togs från utgående avloppsvatten från verket och svavelkällan togs från en våtavsvavlingsanläggning för rötgas vid reningsverket i Yokohama.

En suspension skapades med 20 g aska och 20 g svavelavfall uppblandat med 1 l utgående avloppsvatten. Suspensionen ympades med svaveloxiderande bakterier och omrördes vid 25 ^oC i en sluten flaska tills pH-värdet minskat till cirka 1. Hälften av suspensionen avlägsnades och resterande del tillfördes reaktorn. Detta förfarande upprepades ett flertal gånger tills en acklimatisering av bakterierna i reaktorn skett.

Därefter startades försök med olika slamuppehållstider (SRT 4, 10, 20 och 30 dygn) för att bestämma utlösningen av metaller och fosfor. Under försöken tillfördes reaktorn 500 ml färsk suspension enligt ovan i intervaller motsvarande halva SRT. pH-värdet uppmättes kontinuerligt och prov uttogs för analys av metaller och fosfor från slamaska, avloppsvatten och svavelkälla.

Tre olika försök genomfördes för att undersöka olika metodik för separation av metaller och fosfor, där slamaskan surgjordes med svavelsyra till pH 1,5. I det första försöket tillsattes alkali i steg upp till pH 9 för att belysa effekten av pH på utfällningen av metaller och fosfor enbart genom tillsats av alkali. EDTA tillsattes i det andra försöket och hypotesen var att kelatering av aluminium och järn med EDTA skulle kunna medföra en selektiv utfällning av fosfor som kalciumfosfat. I det tredje försöket tillsattes järnklorid för att fälla ut fosfor under svagt sura förhållanden utan att få med metaller som Al och Cd.

Resultat

Asksuspensionen hade ett ursprungligt pH-värde omkring 8 och tillförsel till reaktorn skedde efter acidifiering i flaskor till pH 1 som beskrivits ovan. Den mikrobiologiska processen fungerade väl vid slamuppehållstider över 10 dygn, där pH-värdet i reaktorn var stabilt med variationer mellan 0,9 och 1,2. Vid 4 dygns SRT var pH mer instabilt beroende på att tiden för bakterierna att oxidera elementärt svavel inte var tillräcklig och pH-värdet ökade till omkring 2 med variationer mellan 1,5 och 2,5.

Halten upplöst Cd i rektorn var konstant oavsett SRT medan halten upplöst Cu minskade något med minskad SRT. Upplösningsgraden för Cd var i det närmaste 100 % vid alla SRT och för Cu, Al, As och Mn över 80 % vid SRT över 10 dygn. Däremot var upplösningsgraden för Cr, Fe, Ni och Zn lägre och den var mindre än 65 % för Zn och mindre än 40 % för övriga metaller även vid 30 dygns SRT.

Utfällningen av fosfor vid olika pH-värde efter neutralisering med NaOH uppgick till 60, 75 och 80 % vid pH 3, 4 resp. 5. Utfällningen var helt i form av aluminium- och järnfosfat. Alla tungmetaller utom As och Cr fanns i lösning upp till pH 3 och en neutralisering till pH mellan 6 och 8 erfordrades för en fullständig utfällning.

En tillsats av EDTA upp till pH 3 visade att kelatkomplex bildades med aluminium och järn och en försumbar utfällning av metallerna. Vid högre pH-värden ökade utfällningen av Al och fosfor och vid pH 5 var utfällningsgraden över 70 % för Al och knappt 50 % för fosfor. Återstående fosfor borde kunna fällas ut som kalciumfosfat men inga försök gjordes för att bekräfta detta.

Försöket med tillsats av järnklorid resulterade i att mer än 90 % av fosforn utfälldes i form av järnfosfat. Andelen metaller som fanns kvar i lösning var 90 % för Al och mellan 95 och 100 % för Cd, Cu och Zn, vilket innebär att fällningsprodukten var av god kvalitet. Det finns en användning av produkten vid batteritillverkning men den kan inte utnyttjas direkt som gödningsmedel beroende på en låg löslighet.

Slutsatser

Följande slutsatser kunde dras av undersökningen:

Källa: A. Ito, K. Yamada, N. Ishikawa, T. Umita. Separation of metals and phosphorus from incinerated sewage sludge ash. Water Science & Technology 67.11 (2013) pp 2488 – 2493.

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