Avskiljning av fosfor från avloppsvatten genom flotation med upplöst luft

• 1. Inledning
• 2. Fosfor i avloppsvattnet
• 3. Avloppsreningssystem för fosfor
• 4. Rening av fosforhaltigt avloppsvatten med DAF-flotation
• 5. Sammanfattning

1. Inledning

Fosfor är ett livsviktigt grundämne , både för enklare organismer och för sådana med mer komplexa strukturer. Det spelar en avgörande roll inom biologin, eftersom det ingår i bildandet av många olika cellkomponenter, såsom:

• Cytoplasmamembranet, liksom DNA.
• De enzymer som kallas transferaser: ADP (adenosindifosfat) och ATP (adenosintrifosfat), vilka har förmågan att lagra eller avge energi genom att omvandlas från en form till en annan.
• Polyfosfataskinaser, som kan lagra eller återbilda polyfosfater.

Bristen på fosfor hämmar tillväxten av planktonalger, särskilt vissa arter, såsom ”blågröna” alger, som kan binda kväve från luften.

Fosfor är ett viktigt näringsämne för de mikroorganismer som bryter ned organiskt material i avloppsvattnet. Fosfor kan dock också orsaka övergödning, vilket innebär att ytvattnets kvalitet försämras på grund av ett överflöd av alger. Fosfor förekommer i avloppsvattnet i form av fosfater, som är mycket reaktiva föreningar.

Dessutom har fosforföroreningar betydande ekonomiska konsekvenser, eftersom de påverkar den normala utövningen av olika yrkesverksamheter och dessutom ökar kostnaderna för vattenrening.

Det är därför avgörande att åtgärder vidtas för att minska fosforhalten i vårt avloppsvatten.   

De viktigaste fosforföreningarna

P-föreningar	Formel	Förberedelse av provet	Testskålar	Processinstrument	Resultat + Användningsområde
Ortofosfat	PO43–	Filtrera	LCK049* LCK349* LCK348* LCK350*	PHOSPHAX (vanadat-molybdat-metoden)	– Orthofosfat (PO4-P) (t.ex. avloppsvatten: kontroll av fosfatutfällning) – Orthofosfat (PO4 ) (t.ex. dricksvatten och ångvatten)
Polyfosfater	PO4-PO4-PO4–	Homogenisering, nedbrytning
Organiska fosforföreningar	R-PO4	Homogenisering, nedbrytning
Total belastning (ortofosfat + polyfosfater + organiska fosforföreningar)	Totalt fosfor (PO4 )	Homogenisering, nedbrytning	LCK349* LCK348* LCK350*	PHOSPHAX sigma (molybdenblåmetoden enligt EN 1189)	Total P = TotalPO4-P(t.ex. avloppsvatten: gränsvärdeskontroll) TotalPO4 (t.ex. dricksvatten och pannvatten)

Viktigt: Vid analys av avloppsvatten uttrycks koncentrationen av_PO4 alltid i termer av fosforhalten i fosfatet! Det vill säga, resultatet anges som_PO4-P(omräkningsfaktor:_PO4-P × 3,07 –_PO4). De gränsvärden som fastställs i tillämplig lagstiftning, t.ex. gränsvärdet vid utloppet från ett avloppsreningsverk, uttrycks i enheten P totalt =_PO4-P totalt.
*) LCK348, 349 och 350: molybdenblåmetoden enligt EN 1189; LCK049: vanadat-molybdatmetoden

2. Fosfor i avloppsvattnet

Fosforföroreningariavloppsvattnet utgör ett allvarligt problem. Det är ett kemiskt grundämne som är nödvändigt för livet, men som i överflöd kan ha skadliga effekter. Det kan leda till överdriven algtillväxt, så kalladeutrofiering. Detta fenomen blockerar det solljus som behövs för att andra vattenväxter ska kunna växa, och när algerna bryts ned förbrukar de det upplösta syret i vattnet, vilket leder till att fiskar och andra vattenlevande organismer dör.                 

Fosfor hamnar i avloppsvattnet främst på två sätt:

1. Genom direktutsläpp av fosfathaltiga tvättmedel och gödningsmedel
2. Som en naturlig följd av markens slitage och erosion.

Det är dock vid avloppsreningsverken som problemet blir särskilt akut, eftersom dessa ofta inte är utrustade för att effektivt avskilja och eliminera fosfor, vilket leder till att det släpps ut i miljön i farliga mängder.

Fosfor kan förorena grund- och ytvatten, som ofta används som dricksvattenkällor. Intag av fosforförorenat vatten kan orsaka hälsoproblem hos människor, såsom njurskador och benskörhet. Fosfor kan också ansamlas i sedimenten på botten av vattenkällorna, där det under vissa förhållanden kan frigöras till vattnet igen. Detta innebär attfosforkan fortsätta att orsaka vattenkvalitetsproblem långt efter att det har släppts ut,   

Man uppskattar att cirka 85 % av det fosfor som släpps ut i miljön kommer från avloppsnätet för kommunalt avloppsvatten. Jordbruket står för de återstående 15 %, men dess inverkan är relativt liten eftersom fosfor, till skillnad från nitrater, absorberas och lagras väl i marken. Fosfor förekommer som fosfat i följande former:                                                                                      

• Lösliga ortofosfater: Dessa är lätt utfällbara och kan härröra direkt från utsläppen eller vara ett resultat av nedbrytning av organiska eller oorganiska polyfosfater under reningsprocessen.

• Polyfosfater: De kan vara organiska eller oorganiska. De kan brytas ned till ortofosfater eller förbli inaktiva.                                                           

Förekomst av fosfor

De kan också förekomma i lösning eller i en mer eller mindre sedimenterbar suspension. Förhållandet mellan dessa olika former varierar kraftigt, och det går inte att ange några alltför exakta uppgifter:

• I en rå ARU kan ortofosfater utgöra mellan 15 och 35 procent av de totala fosfaterna.
• I de dekanterade ARU:erna ökar andelen med 5–10 procent.
• I ett avloppsreningsverk med sekundär (biologisk) rening kan andelen ortofosfater uppgå till 50 % eller till och med 90 %.

Om man jämför de oorganiska och organiska formerna, skulle de senare utgöra omkring 30 %.

Endast en liten del av fosfaterna (som till största delen är av organiskt ursprung) är sedimenterbara. Denna andel uppskattas vanligtvis till mellan 5 och 15 % av den totala mängden. I en första uppskattning kan vi anse 10 % som ett rimligt värde.

Fosforcykeln

Fosforcykeln är en biogeokemisk process som äger rum i ekosystemen och beskriver hur denna förening cirkulerar.

• Organismerna tar upp ämnet i form av fosfater.
• Både marken och levande organismer (växter, djur och människor) påverkar varandra, och en stor del av fosfatet hamnar också i havsvattnet, där det tas upp av fåglar, fiskar och alger.
• Andelen fosfor i materien är liten, men spelar en oumbärlig roll för livet.
• Fosforets biogeokemiska kretslopp är rörligt över hela biosfären. Detta omfattar alla ekosystem, både land- och vattenekosystem. Kretsloppet ser till att tillgodose de viktigaste cellulära behoven i varje organism.

3. Avloppsreningssystem för fosfor

Fosforrening av avloppsvatten sker vanligtvis genom fysikalisk-kemiska eller biologiska reningsmetoder, eller en kombination av båda.

Det finns flera metoder för att avskilja fosfor och dess föreningar från avloppsvattnet. Här är de tre vanligaste avskiljningsmetoderna:

• Som sedimenterbart MS: Avlägsnas genom primärrening.
• Som kolloidalt MS: I detta fall krävs en flockning för att avlägsna det, vilket sker naturligt med hjälp av det aktiva slammet (samtidig defosfatering) eller genom tillsats av koagulerings- och flockningsmedel (före eller efter defosfatering).
• Som lösligt MS: Till lösningen som innehåller fosfor tillsätts ett aluminium-, järn- eller kalksalt, så att en olöslig förening bildas (metallfosfater eller fosfat/kalciumföreningar), vilket leder till att fosforen fälls ut i form av salt. Eftersom det inte är praktiskt att korrigera pH-värdet är det nödvändigt att tillföra en dos av trevärt salt som överstiger det teoretiska molförhållandet 1/1.

3.1 Fysikalisk-kemisk behandling

De olösliga fosforsalterna sedimenterar svårt, varför det är nödvändigt att flockulera med ett överskott av koaguleringsmedel och dessutom tillsätta ett organiskt polymer som flockuleringshjälpmedel. Denna åtgärd är också nödvändig för att avlägsna fosforföreningar som förekommer i kolloidal form. Den mest effektiva tekniken är flotation med upplöst luft (DAF), med tanke på den låga sedimenterbarheten hos de bildade flockarna.                                                                 

3.2 Biologisk behandling

I denna process används mikroorganismer som kan ackumulera överskott av fosfor. Bakterierna tar upp fosforet i vattnet och införlivar det i sina celler. När dessa bakterier dör och sedimenterar, binds fosforet i det bildade slammet och kan enkelt avlägsnas.

SIGMADAF erbjuder tekniker som möjliggör biologisk rening av avloppsvatten med för hög fosforhalt. MBBR-tekniken (biologisk rening med rörliga bäddar) möjliggör rening av detta avloppsvatten med hjälp av specialanpassade fyllnadsmaterial och selektiva förhållanden. Denna teknik ger maximal prestanda på minimal yta och medför en betydande minskning av driftskostnaderna (energi, slamhantering etc.).

3.3 Kombinerad metod

Det är oftast den mest effektiva metoden. I det här fallet genomförs först en fysikalisk-kemisk rening för att avlägsna en stor del av fosforet, och därefter tillämpas den biologiska reningen för de återstående halterna.

SIGMADAF kombinerar DAF-, MBBR- och MBR-tekniken för att uppnå bästa möjliga reningsresultat för avloppsvatten med hög fosforhalt.

Sammanfattningsvis beror valet av den lämpligaste metoden för att avlägsna fosfor på faktorer som mängden fosfor, tillgängliga resurser och gällande miljöbestämmelser.

4. Rening av fosforhaltigt avloppsvatten genom flotation med upplöst luft

Den mest lämpliga metoden för att avskilja fosfater i suspension är flotation med hjälp av DAF-system. Detta beror på den låga densiteten hos de flockar som bildas efter den kemiska förbehandlingen av avloppsvattnet, vilken utförs med hjälp av särskilda koagulerings- och flockningsmedel.

SIGMADAF erbjuder DAF-system för avskiljning av fosfor och andra föroreningar. Dessa anläggningar består av ett blandningssystem i form av en spiral (PFL) och därefter en anordning för avskiljning med upplöst luft (DAF).

PFL-flockuleringsanläggningarna kännetecknas av principen om ”inline-process”. De olika processerna som sker i dessa anläggningar (koagulering, flockning, demulsifiering, utfällning och pH-reglering) äger rum under noggrant kontrollerade och väl definierade förhållanden, så att avloppsvattnet därefter enkelt kan renas i DAF-systemet.

PFL-DAF-flytningssystem

Flotation med upplöst luft är en idealisk teknik för effektiv avskiljning av fasta ämnen, oljor, fetter och flockar i avloppsvatten.

Det förbehandlade avloppsvattnet pumpas från koagulerings- och flockningssystemet till DAF-enheten, där koaguleringsmedel, polyelektrolyter och pH-justeringsmedel doseras för att åstadkomma en effektiv flockbildning. Om det förekommer lösligt fosfor kan även kalk tillsättas.

DAF-systemen är särskilt utformade för att rena avloppsvatten som innehåller partiklar med låg flytkraft och som kräver en stor yta för att kunna separeras. Den tillförda tryckluften behövs för att förbättra partiklarnas flytkraft när deras specifika vikt påverkas av en blandning av emulsioner, oljor och fasta ämnen.

En återcirkulationspump leder en del av det renade vattnet tillbaka till utloppet på DAF-enheten, där det finns ett trycksättnings-/mättningssystem. Det återcirkulerade vattnet trycksätts av pumpen till cirka 6 bar och blandas med luft. Under dessa tryckförhållanden löses luften upp i vattnet.

Inuti DAF-enheten sker ett tryckfall, vilket genererar mikrobubblor med en diameter på mellan 3 och 50 mikrometer. Dessa bubblor löses upp och möjliggör avskiljning av fasta ämnen och flockar som inte har någon tendens att flyta upp. Bubblorna fäster snabbt vid de suspenderade flockarna, som stiger upp till ytan där de flyter eftersom de förlorar sin skenbara densitet.

Denna blandning av vatten och luftbubblor med sänkt tryck fördelas jämnt i inloppskammaren till DAF-enheten under laminära flödesförhållanden. De uppflytande partiklarna leds däremot direkt till avskiljningssystemet, som är placerat i enhetens övre del, där de avlägsnas medhjälp av ettskimmersystem.

Det sedimenterbara materialet sjunker ner till sedimentkammaren, som är placerad i botten av DAF-enheten, och avlägsnas via slamavskiljningssystemet.

När skummet har bildats på ytan avlägsnas det mekaniskt från det renade vattnet. Fosfater och andra föroreningar koncentreras i skummet, vilket möjliggör återvinning eller säker bortskaffning i enlighet med lokala lagkrav.

Det renade vattnet leds ut från DAF-enheten via ett justerbart system för avskiljning av överskott.

Schema över fosfatavskiljning med DAF

5. Sammanfattning

Fosfor i avloppsvattnet är ett allvarligt problem som kräver särskild uppmärksamhet. Även om detta grundämne är livsnödvändigt kan det i stora mängder skada vattenekosystemen och bidra till spridningen av skadliga alger (eutrofiering).Rening av avloppsvattenärdärför av yttersta vikt för att minska mängden fosfor som släpps ut i miljön.

I denna artikel har vi redogjort för de olika tekniker som används för att avlägsna fosfor från avloppsvatten, däribland fysikaliska, kemiska och biologiska processer. Även om varje metod har sina för- och nackdelar är det uppenbart att en kombination av dessa tekniker ger bäst resultat när det gäller att avlägsna denna förorening.

Sammanfattningsvis är rening av avloppsvatten med hög fosfathalt med hjälp av DAF en effektiv metod för att minska halterna av detta förorenande ämne, vilket bidrar till miljöskyddet och till att reglerna för vattenkvalitet uppfylls.

En korrekt hantering och regleringav avloppsvatten spelar också en avgörande roll för att förebygga fosforföroreningar. I detta avseende är det viktigt att regeringar och berörda organisationer fastställer och ser till att de nödvändiga bestämmelserna för avloppsvattenrening efterlevs.

Slutligen bör det framhållas attvar och en av oss har en roll att spelanär det gäller att minska fosforföroreningarna. Genom att använda fosforhaltiga produkter, såsom tvättmedel och gödningsmedel, på ett ansvarsfullt sätt kan vi bidra till att minimera utsläppen av detta ämne till miljön. Det är därför av största vikt att vi alla blir medvetna om hur allvarligt detta problem är och att vi arbetar tillsammans för att skydda våra värdefulla vattenresurser.

Litteraturlista och källor

Fosforrening av avloppsvatten (usal.es)

Fosfor i avloppsvatten: Miljöpåverkan och reningsmetoder | Vatteninstitutet

Fosforrening av avloppsvatten (usal.es)