Annons Kamstrup 2024

Utfällning av struvit från humanurin via elektrolys av

Internationell VA-utveckling 4/13

En central fråga i avloppsområdet är att återvinna näringen, främst från urinen. Vid Eawag i Schweiz har man via elektrolys med magnesiumanoder fällt ut den näringsrika struviten, magnesiumammoniumfosfaten, till en rimlig kostnad.

Av: Jörgen Hanaeus

När magnesium sätts till källsorterad humanurin bildas struvit som även innehåller kväve och fosfor. Struviten är en förhållandevis ren, näringsrik produkt vars näring kan återinsättas i kretslopp. Det vanligaste sättet att bilda struvit från humanurin har varit att dosera magnesiumsalt. För detta krävs en välkontrollerad doseringsutrustning och kompakta reaktorer.

Här undersöks ett alternativt sätt att dosera magnesium, nämligen via en offeranod i en elektrolyscell. Denna metod kräver enkel utrustning och förväntas kunna användas i decentraliserade tillämpningar.

Bakgrund
Källsortering av humanurin är ett sätt att förbättra näringshushållningen i avloppsvatten. Metoden kan vara transportkrävande avseende den separerade urinen varför det är intressant att koncentrera denna.

Ett sätt att utföra koncentrationen är att binda de intressanta komponenterna kväve och fosfor, vilket kan utföras via utfällning av magnesiumammoniumfosfat, Mg NH4PO4. 6 H2O, struvit, vilket testats i föreliggande artikel.

Vid höga pH fälls struvit ut spontant och parallellt med kalciumfosfat, Ca8H2(PO4)6.5H2O, oktakalciumfosfat. Åtminstone 28 % av fosforn fälls ut, tills tillgängligt kalcium och magnesium är förbrukat. Tillsats av ytterligare magnesium gör att kvarvarande fosfat fälls ut som struvit.

Fosfat kan också samlas upp genom mer traditionell tillsats av aluminium- eller järnjoner, något som även kan genomföras elektrolytiskt. Fosfattillgängligheten för växter har dock visat sig högre med struvit än med Al- och Fe-fosfater.

Försök
De elektrokemiska experimenten genom fördes i en låda med volymen 1 l, volymen urin valdes till 0,3 l. Som anod användes en magnesiumplatta och som katod en rostfri stålplatta. Elektrodavståndet valdes till 5,5 cm. Humanurin samlades in från Eawag’s huvudbyggnad. Konduktiviteten var 25 mS/cm, PO4 = 197 mg P/l, NH4= 2540 mg N/l.
Anodpotentialen mättes mot en Ag/AgCl-elektrod. Temperatur 23 °C. Varje försöksomgång började med ny magnesiumplatta. Valda anodpotentialer var -1,2 V, -0,8 V, -0,6 V och -0,2 V relativt normalvätgaselektrod (NHE), samt försök med enbart Mg-anod (offeranod). Försöken drevs 13 gånger om 2 timmar. Strömtätheten var 5,5 ± 0,7 mA/cm2.

Magnesium löstes ut vid anoden och bildade struvit som upptog nästan all fosfat och en mindre del av ammoniuminnehållet i urinen. Vid stålkatoden bildades vätgas.
Utfälld struvit samlades in via filtrering, 0,45 µm, och analyserades m a p  NH4, Mg, Na, K, Ca och PO4. Elektrodytan granskades med svepelektronmikroskop.
Ett värde som beräknades var effektiviteten, definierad som mätt, upplöst Mg dividerad med beräknad Mg utifrån strömförbrukningen genom elektroden (Faradays lag). Här användes Mg-laddningen 2+.

Kostnadsjämförelse med andra Mg-kemikalier gjordes också.

Resultat
Från -1,2 V till -0,2 V ökade P-separationen i lösningen från 0,9 mg P/cm2, h till 5,8 mg P/cm2, h. Effektiviteten gick från 222 % till 136 % och energibehovet från 0,1 till 2,2 Wh/g P.
De höga effektivitetsvärdena beror på spontan upplösning av Mg, samt att Mg-laddningen kunde sammansatts av +1 och +2 (som antagits i beräkningarna).

På magnesiumytan återfanns även nesquehonite, MgCO3.3H2O.

Kostnadsjämförelser: Kostnaden för magnesiumprodukten dominerar helt; energikostnaden är nästan försumbar. Dosering av MgO är billigast, 0,85 €/kg struvit, medan MgSO4 och magnesiumanod kostar rätt lika, 3,45 resp 4,50 €/kg struvit. Dyrast var MgCl2, 6,80 €/kg struvit.

En viss minskning av effektiviteten med tiden observerades och hänfördes till bildningen av magnesiumkarbonat på anoden. Författarna bedömer inte problemet som stort, men rekommenderar fortsatta studier.

Slutsatser
Elektrolytisk dosering av magnesium är en användbar process för att fälla ut struvit om elektrodpotentialen hålls över -0,9 V; företrädesvis rätt nära, säg -0,6 V, eftersom energiförbrukningen ökar med ökad potential. Energiförbrukningen blir då 1,7 Wh/g P.

Kostnaden för magnesiumanod är jämbördig med den för lättlösliga magnesiumsalter, men högre än för magnesiumoxid.

Struvitutfällningen kan spontant drivas längre om lösningen lagras några timmar före filtrering.

Tekniken med elektrolytisk dosering är enkel och kan passa för decentraliserade små reaktorer.

I Sverige har elektrolysidén testats bl a för aluminiumdosering i traditionell dricksvattenfällning. Kostnaden för råmaterial och energi bedömdes väl höga för att passa en standardtillämpning.

Lärdomar var dock att anodbeläggningar inte ska underskattas i ett långtidsperspektiv.
Struvitutfällning är intressant ur ett renhetsperspektiv. Frågan om läkemedelsrester i urinen kan ha en lösning här.

Källa: Hug, A., Udert, K. (2013) Struvite precipitation from urine with electrochemical magnesium dose. Water Research 47, 289-299.

Hela artikeln i Water Research finns att köpa här.

Författarna från Eawag – Swiss Federal Institute of Aquatic Science and Technology –Uberlandstrasse 133, 8600 Dübendorf, Switzerland.
Korrespondens: Kai M. Udert

Annons Wateraid