Toaletter med havsvattenspolning och urinsortering för

Havsvattenspolning av toaletter har sedan länge använts i Hongkong. Med tillägg av urinsortering vill man producera struvit som billig fosforkälla och omvandla kväve till kvävgas. Laboratorieförsök har gett lovande resultat.

Av: Jörgen Hanaeus

Toalettspolning drar typiskt 20-35 % av urban dricksvattenproduktion. Havsvattenspolning är ett alternativ, som använts i Hongkong sedan 1958 och används av 80 % av befolkningen där. För att få maximal nytta av detta dualvattensystem vill man lägga till urinsortering. Det gör struvitproduktion med fosforåtervinning intressant. Den kan kombineras med efterföljande biologisk kvävereduktion av urinlösningen. Laboratorieförsök (1- litersskala) har genomförts med en reaktor för vartdera ändamålet och goda resultat har uppnåtts.

Bakgrund

En snabb urbanisering har orsakat sötvattenbrist i många storstäder. Avsaltning av havsvatten har valts som dellösning i flera fall. Toaletter spolas ofta med högkvalitativt dricksvatten och kan dra 20-35 % av hushållsförbrukningen. Hongkong har dock sedan 1958 använt havsvattenspolning som nu omfattar ca 80 % av befolkningen. Dualrörssystem är dyrt, men havsvattenspolningen drar bara 0,013- 0,025 kWh/m³ medan avsaltningen kräver 2,4-3,6  kWh/m³och återvunnet (reclaimed) avloppsvatten kräver 0,4-2,0 kWh/m³. Måttlig vattenbehandling behövs för havsvattnet, såsom silning och klorering.

Man anser att havsvattenspolning är ett mer resurssnålt alternativ än att återvinna avloppsvatten. Med tanke på att 2/3 av jordens befolkning bor inom 150 km avstånd till havet, blir metoden intressant också i ett stort perspektiv.

Urinsortering är en motiverad teknik för tättbefolkade ytor i ett hållbart samhälle. Merparten av kväve och hälften av fosforn i kommunalt avloppsvatten kommer från humanurinen. Flera sätt att ta tillvara fosfor finns, ett av de populäraste är fällning med struvit via tillsats av magnesium- salt. Den avlägsnar också en mindre mängd kväve från urinen (NH₄MgPO₄^.6H₂O).

Här föreslås ett system med struvitfällning, med magnesium från havsvatten, på husnivå kombinerad med urin-nitrifikation på kvartersnivå. Härigenom kan näringsavskiljande processer i nedströms avloppsverk krympas.

Experiment

Urin från 20 personer samlades i sterila flaskor och blandades med havsvatten från spolmunstycket i en urinal.  Den i två parallella reaktorer struvitfällda urin-havsvattenblandningen användes sedan till en SBR-reaktor för nitrifikation av urinen. 

Varje struvitreaktor hade 0,8 L volym, smala vertikala inloppskanaler och ett 45 µm nylonnät i en avtappningsskål i botten. Avsatt struvit tappades ur ca var 12 dygn genom att en bottenventil öppnades, struviten fångades i nätet och passerande vätska till skålen återfördes till reaktorn sedan bottenventilen stängts igen.

Blandningen innehöll i försöksperiod 1 50 % urin och den hydrauliska uppehållstiden var då 6 h. I period 2 och 3 provades 50 % urin och 3 h, resp 25 % och 1,5 h.

SBR-reaktorn för nitrifikation av urin hade volymen 1,1 L. Den andel som omsattes varierade mellan 45 och 75 % beroende på inflödet. Reaktorn dopades med slam från en aktivslamanläggning som behandlade salthaltigt havsvatten och syrsattes med ett finblåsigt system som arbetade kontinuerligt utom vid sedimentering. Sekvensen var, efter inkörning, var 6:e timme: 5 min fyllning, 5,5 h luftning, 8-15 min sedimentering samt tömning. NaHCO₃ doserades med pH-styrning (vid pH< 5,5, senare i serien vid pH <6,5).

Resultat

Vid uppehållstiden 6h och 50/50 urin/havsvatten erhölls en 96 %-ig separation av totalfosfor i struvitreaktorn, med en utgående halt av 6,25 mg P/L (in ca 180 mg P/L). Villkoren 3h/50 % samt 1,5h/25 % urin gav 94 resp 91 % avskiljning med ca 10 mg P/L ut. Inkommande blandnings pH var ca 6,5 och utgående 9,0.

Totalkväve in var ca 3 900 mg N/L (hälften vid 25 % urin) och något lägre ut och hydrolysen av urea föreföll snabb och komplett vid fällningen, där ca 90 % av kvävet lämnade som ammonium till SBR-reaktorn. Halten magnesium in var ca 550 mg Mg/L (50 % urin) och 825 mg Mg/L (25 % urin) och kalciumhalten in var ca 300/375 mg Ca/L vid motsvarande urinkoncentrationer.

Röntgenanalys av slammet visade dominans av struvitspektra samt små mängder av kalcitspektra.

SBR-reaktorn nitrifierade fullständigt vid 25 % urin och 75 % havsvatten och med belastningar 0,5-0,75 g N/L,d. Efter 200 dygn började dock resultatet försämras, vilket kunde relateras till fosforbrist. Löst P analyserades då till ca 0,3 mg P/L, en nivå som i tidigare undersökningar visats ge problem med nitrifikationen. Fosfor stöddoserades sedan och nitrifikationen förbättrades åter. Satsförsök visade också att inkommande kvot P/N var otillräcklig i detta fall och att 4-5 mg P per g NH₄-N behövdes. Något av urinen bör alltså passera förbi struvitreaktorn.

Slutsatser

Toalettspolning med havsvatten och nyttjande av havsvattnets magnesiuminnehåll för att fälla ut och ta till vara fosfor som struvit är ett tilltalande koncesom borde kunna ha ett brett intresse.  Nitrifikationen i SBR lämnar ett steg för återvinning av kväveresursen och är kanske inte av samma intresse, sett med skandinaviska ögon. Undersökningar i labskala ska dock som vanligt tolkas med VA-tekniska erfarenheter av större skala.

Källa: Mackey, H.R.; Zheng, Y.-S.; Tang, W.-T.; Dai, J; Chen, G.-H. (2014) “Combined seawater toilet flushing and urine separation for economic phosphorus recovery  and nitrogen removal: a laboratory-scale trial.”  Water Science & Technology 70.6, pp 1065-1073

Hela artikeln finns här.

Författarna från:  Dep of Civil Engineering,The Hongkong University of Science and Technology, Clear Water Bay, Kowloon, Hongkong,  China.

Korresponderande författare: G.-H. Chen

Kontakt:  ceghchen@ust.hk