Fosforin talteenotto jätevesilietteestä ultraäänellä
- Fosforin maailmanlaajuinen kysyntä kasvaa, samalla kun luonnon fosforivarojen saatavuus heikkenee.
- Jätevesiliete ja jätevesilietteen tuhka sisältävät runsaasti fosforia, joten niitä voidaan käyttää fosforin talteenoton lähteinä.
- Ultraäänellä tehostettu märkäkemiallinen käsittely ja saostus parantavat fosfaatin talteenottoa sekä jätevesilietteestä että poltetun lietteen tuhkasta ja tekevät talteenotosta huomattavasti taloudellisempaa.
Fosfori
Fosfori (phosphor, P) on uusiutumaton luonnonvara, jota käytetään runsaasti maataloudessa lannoitteena sekä monilla teollisuudenaloilla, joilla fosfori on arvokas lisäaine (esimerkiksi maaleissa, pyykinpesuaineissa, palonestoaineissa ja eläinrehussa). Jätevesiliete, poltetun jätevesilietteen tuhka (ISSA), lanta ja meijerien jätevedet sisältävät runsaasti fosforia, mikä tekee niistä fosforin talteenoton lähteitä sekä fosforivarojen rajallisuuden että ympäristönäkökohtien vuoksi.
Nestemäisistä jätevesivirroista voidaan ottaa talteen 40–50% fosforista, kun taas jätevesilietteestä ja jätevesilietteen tuhkasta voidaan ottaa talteen jopa 90%. Fosforia voidaan saostaa monissa muodoissa, joista yksi on struviitti (jota arvostetaan laadukkaana, hitaasti ravinteita vapauttavana lannoitteena). Jotta fosforin talteenotto olisi taloudellista, talteenottoprosessia on parannettava. Ultraäänikäsittely on prosessia tehostava menetelmä, joka nopeuttaa prosessia ja lisää talteen otettujen mineraalien saantoa.
Fosforin talteenotto ultraäänellä
Ultraäänikäsittelyllä jätevirroista voidaan ottaa talteen arvokkaita materiaaleja, kuten struviittia (magnesiumammoniumfosfaatti (MAP)), kalsiumfosfaattia, hydroksiapatiittia (HAP) / kalsiumhydroksiapatiittia, oktakalsiumfosfaattia, trikalsiumfosfaattia ja dikalsiumfosfaattidihydraattia. Ultraäänikäsittely parantaa arvokkaiden materiaalien märkäkemiallista uuttoa sekä saostusta ja kiteytystä (ultraäänikiteytystä) jätevesilietteestä ja poltetun lietteen tuhkasta.
Vaikka erikseen poltetun jätevesilietteen tuhkan fosfori- (8–10%), rauta- (10–15%) ja alumiinipitoisuudet (5–10%) ovat melko suuria, se sisältää myös myrkyllisiä raskasmetalleja, kuten lyijyä, kadmiumia, kuparia ja sinkkiä.
Fosforin talteenotto – kaksivaiheinen prosessi
-
- Happouutto
Fosforin talteenoton ensimmäinen vaihe on fosforin uutto tai liuotus jätevesilietteestä tai poltetun jätevesilietteen tuhkasta (ISSA) hapolla, kuten rikkihapolla tai suolahapolla. Ultraäänisekoitus edistää märkäkemiallista liuotusta lisäämällä aineensiirtoa hapon ja ISSA:n välillä, jolloin fosfori saadaan liuotettua täydellisesti nopeasti. Uuttomenettelyn parantamiseksi voidaan käyttää esikäsittelyvaihetta, jossa käytetään etyleenidiamiinitetraetikkahappoa (EDTA).
-
- Fosforin saostus
Ultraäänikiteytys tehostaa fosfaattien saostumista merkittävästi lisäämällä kiteytymisen aloituskohtia ja nopeuttamalla molekyylien adsorptiota ja aggregoitumista kiteen muodostamiseksi. Fosforin ultraäänisaostus jätevesilietteestä ja ISSA:sta voidaan toteuttaa esimerkiksi magnesiumhydroksidilla ja ammoniumhydroksidilla. Syntyvä saostuma on struviittia, joka on magnesiumista, ammoniumista, fosforista ja hapesta koostuva yhdiste.
Struviitin ultraäänikiteytys
Ultraäänidispergointi edistää aineensiirtoa faasien välillä ja käynnistää fosfaattien (esimerkiksi struviitin / MAP:n) ydintymisen ja kiteenkasvun.
Struviitin ultraäänisaostus ja -kiteytys virtaavassa prosessissa mahdollistavat suurten tilavuusvirtojen käsittelyn teollisessa mittakaavassa. Suuren jätevesilietevirran käsittelyn haaste voidaan ratkaista jatkuvalla ultraääniprosessilla, joka nopeuttaa struviitin kiteytymistä ja parantaa kidekokoa tuottamalla pienempiä, tasakokoisempia fosfaattihiukkasia. Saostuneiden hiukkasten kokojakauman määräävät ydintymisnopeus ja sitä seuraava kiteenkasvunopeus. Nopeutettu ydintyminen ja hillitty kasvu ovat keskeisiä tekijöitä kiteisten fosfaattihiukkasten eli struviitin saostumisessa vesiliuoksessa. Ultraäänikäsittely on prosessia tehostava menetelmä, joka parantaa sekoittumista reaktiivisten ionien tasaisen jakautumisen saavuttamiseksi.
Ultraäänisaostuksen tiedetään tuottavan kapeamman hiukkaskokojakauman, pienemmän kidekoon, hallittavan morfologian sekä nopean ydintymisen.
Sikatalouden jätevedestä saostettuja struviittikiteitä (lähde: Kim et al. 2017)
Hyviä saostustuloksia voidaan saavuttaa esimerkiksi käyttämällä PO3-4 : NH+4 : Mg2+ suhteessa 1 : 3 : 4. pH-alue 8–10 johtaa fosfaattifosforin P maksimaaliseen vapautumiseen
Ultraäänikäsittely on erittäin tehokas prosessia tehostava tekniikka, joka edistää arvokkaiden materiaalien, kuten kalsiumfosfaatin, magnesiumammoniumfosfaatin (MAP) ja hydroksiapatiitin (HAP), kalsiumhydroksiapatiitin, oktakalsiumfosfaatin, trikalsiumfosfaatin ja dikalsiumfosfaattidihydraatin, saostumista jätevedestä. Jätevesilietteen, lannan ja meijerien jätevesien tiedetään olevan ravinnepitoisia jätevesiä, jotka soveltuvat arvokkaiden materiaalien tuottamiseen ultraääniavusteisella saostuksella.
Struviittikiteiden muodostuminen:
Mg2+ + NH+4 + HPO2-4 + H2O –> MgNH4PO4 ∙ 6H2O + H+
Suuritehoiset ultraääniprosessorit laboratorio-, pilotti- ja teolliseen mittakaavaan.
Teolliset ultraäänilaitteet liuotukseen ja saostukseen
Poltetun jätevesilietteen tuhkan (ISSA) ja jätevesilietteen käsittely teollisessa mittakaavassa edellyttää suorituskykyisiä ultraäänijärjestelmiä ja reaktoreita. Hielscher Ultrasonics on erikoistunut suuritehoisten ultraäänilaitteiden suunnitteluun ja valmistukseen – laboratorio- ja pöytälaitteista täysin teollisiin yksiköihin. Hielscherin ultraäänilaitteet ovat kestäviä, ja ne on rakennettu ympärivuorokautiseen 24/7-käyttöön täydellä kuormalla vaativissa ympäristöissä. Lisävarusteet, kuten geometrialtaan erilaiset virtauskennoreaktorit, sonotrodit (ultraäänisondit) ja amplitudinvahvistimet, mahdollistavat ultraäänijärjestelmän optimaalisen mukauttamisen prosessin vaatimuksiin. Suurten tilavuusvirtojen käsittelyyn Hielscher tarjoaa 4kW:n, 10kW:n ja 16kW:n ultraääniyksiköitä, jotka voidaan helposti yhdistää rinnakkain ultraäänilaiteryhmiksi.
Hielscherin edistyneissä ultraäänilaitteissa on digitaalinen kosketusnäyttö, joka mahdollistaa helpon käytön ja prosessiparametrien tarkan hallinnan.
Käyttäjäystävällisyys sekä helppo ja turvallinen käyttö ovat Hielscherin ultraäänilaitteiden keskeisiä ominaisuuksia. Selaimen kautta tapahtuva etäohjaus mahdollistaa ultraäänijärjestelmän käytön ja ohjauksen tietokoneella, älypuhelimella tai tabletilla.
Alla oleva taulukko antaa viitteitä ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista:
| Erän tilavuus | Tilavuusvirta | Suositellut laitteet |
|---|---|---|
| 10–2 000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1–20L | 0,2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10–100L/min | UIP16000 |
| n.a. | suurempi | laiteryhmä, jonka laitteet ovat UIP16000 |
Ota yhteyttä! / Kysy meiltä!
Kirjallisuus ja lähteet
- Dodds, John A.; Espitalier, Fabienne; Louisnard, Olivier; Grossier, Romain; David, Rene; Hassoun, Myriam; Baillon, Fabien; Gatumel, Cendrine; Lyczko, Nathalie (2007): Ultraäänen vaikutus kiteytys- ja saostusprosesseihin: esimerkkejä ja uusi segregaatiomalli. Particle and Particle Systems Characterization, Wiley-VCH Verlag, 2007, 24 (1), pp.18–28
- Kharbanda, A.; Prasanna, K. (2016): Ravinteiden uutto meijerijätevedestä MAP:n (magnesiumammoniumfosfaatti) ja HAP:n (hydroksiapatiitti) muodossa. Rasayan Journal of Chemistry Vol. 9, No. 2; 2016. 215–221.
- Kim, D.; Jin Min, K.; Lee, K.; Yu, M.S:; Park, K.Y. (2017): pH:n, moolisuhteiden ja esikäsittelyn vaikutukset fosforin talteenottoon struviittikiteytyksellä anaerobisesti käsitellyn sikatalouden jäteveden käsittelyvedestä. Environmental Engineering Research 22(1), 2017. 12–18.
- Rahman, M., Salleh, M., Ahsan, A., Hossain, M., Ra, C. (2014): Hitaasti ravinteita vapauttavan kiteisen lannoitteen tuotanto jätevesistä struviittikiteytyksellä. Arab. J. Chem. 7, 139–155.
Hyödyllistä tietoa
Miten ultraäänisaostus toimii?
Ultraäänikäsittely vaikuttaa ydintymiseen ja kiteenkasvuun. Tämä prosessi tunnetaan nimellä ultraäänikiteytys.
Ensinnäkin ultraäänen käyttö mahdollistaa vaikuttamisen ydintymisnopeuteen eli nopeuteen, jolla nestemäisestä liuoksesta muodostuu kiinteitä kiteitä. Suuritehoinen ultraääni synnyttää kavitaatiota, jossa tyhjiökuplat kasvavat ja luhistuvat nestemäisessä väliaineessa. Tyhjiökuplien luhistuminen tuo järjestelmään energiaa ja vähentää kriittistä ylimääräistä vapaata energiaa. Näin kiteytymisen aloituskohtien muodostuminen ja ydintyminen käynnistyvät nopeasti ja mahdollisimman varhain. Kavitaatiokuplan ja liuoksen rajapinnassa liuotin solvatoi puolet liuenneen aineen molekyylistä, kun taas molekyylin pinnan toinen puoli on kavitaatiokuplan peittämä, jolloin solvataationopeus pienenee. Liuenneen aineen molekyylin uudelleenliukeneminen estyy, samalla kun molekyylien koaguloituminen liuoksessa lisääntyy.
Toiseksi ultraäänikäsittely edistää kiteenkasvua. Ultraäänisekoitus edistää kiteiden kasvua lisäämällä aineensiirtoa ja molekyylien aggregoitumista.
Ultraäänikäsittelyllä saavutettuja tuloksia voidaan hallita käsittelytavan avulla:
Jatkuva ultraäänikäsittely:
Liuoksen jatkuva ultraäänikäsittely tuottaa lukuisia ydintymiskohtia, jolloin muodostuu suuri määrä pieniä kiteitä
Pulssitettu ultraäänikäsittely:
Pulssitetun / jaksotetun ultraäänikäsittelyn käyttö mahdollistaa kidekoon tarkan hallinnan
Ultraäänikäsittely ydintymisen käynnistämiseksi:
Kun ultraääntä käytetään vain kiteytymisprosessin alussa, muodostuu rajallinen määrä kideytimiä, jotka kasvatetaan sitten suuremmiksi.
Käyttämällä ultraäänikäsittelyä kiteytyksen aikana voidaan vaikuttaa kiderakenteiden kasvunopeuteen, kokoon ja muotoon sekä hallita niitä. Ultraäänikäsittelyn eri vaihtoehdot tekevät ultraäänikiteytysprosesseista tarkasti hallittavia ja toistettavia.
Ultraäänikavitaatio
Kun suuritehoinen ultraääni kulkee nestemäisen väliaineen läpi, korkean paineen (puristus) ja matalan paineen (harvennus) aallot vuorottelevat nesteessä. Kun nesteen läpi kulkevan ultraääniaallon aiheuttama negatiivinen paine on riittävän suuri, nesteen molekyylien välinen etäisyys ylittää molekyylien vähimmäisetäisyyden, joka tarvitaan nesteen pitämiseen yhtenäisenä. Tällöin nesteen yhtenäisyys rikkoutuu ja muodostuu tyhjiökuplia tai onteloita. Nämä tyhjiökuplat tunnetaan myös kavitaation kuplina.
Kavitaatiokuplat, joita käytetään teho-ultraäänisovelluksissa, kuten sekoituksessa, dispergoinnissa, jauhatuksessa, uutossa jne., syntyvät ultraääni-intensiteetin ylittäessä 10 Wcm2. Kavitaatiokuplat kasvavat useiden akustisten matalan ja korkean paineen jaksojen aikana, kunnes ne saavuttavat koon, jossa ne eivät voi enää absorboida lisää energiaa. Kun kavitaatiokupla on saavuttanut enimmäiskokonsa, se luhistuu voimakkaasti puristusjakson aikana. Lyhytikäisen kavitaatiokuplan voimakas luhistuminen synnyttää äärimmäisiä olosuhteita, kuten erittäin korkeita lämpötiloja ja paineita, erittäin suuria paine- ja lämpötilaeroja sekä nestesuihkuja. Nämä voimat ovat ultraäänisovelluksissa hyödynnettävien kemiallisten ja mekaanisten vaikutusten lähde. Jokaista luhistuvaa kuplaa voidaan pitää mikroreaktorina, jossa syntyy hetkessä useiden tuhansien asteiden lämpötiloja ja yli tuhannen ilmakehän paineita [Suslick et al 1986].
Ultraääniuutto perustuu akustiseen kavitaatioon ja sen hydrodynaamisiin leikkausvoimiin
Fosfori
Fosfori on välttämätön, uusiutumaton luonnonvara, ja asiantuntijat ennustavat jo, että maailma saavuttaa ”fosforihuipun” eli ajankohdan, josta lähtien tarjonta ei enää pysty vastaamaan kasvaneeseen kysyntään, noin 20 vuoden kuluttua. Euroopan komissio on jo luokitellut fosforin kriittiseksi raaka-aineeksi.
Jätevesilietettä käytetään usein pelloille levitettävänä lannoitteena. Koska jätevesiliete sisältää arvokkaan fosfaatin lisäksi myös haitallisia raskasmetalleja ja orgaanisia epäpuhtauksia, monet maat, kuten Saksa, rajoittavat lainsäädännöllä sitä, kuinka paljon jätevesilietettä voidaan käyttää lannoitteena. Monissa maissa, kuten Saksassa, on tiukat lannoitesäännökset, jotka rajoittavat raskasmetallien aiheuttamaa kontaminaatiota ankarasti. Koska fosfori on rajallinen luonnonvara, Saksan vuoden 2017 jätevesilieteasetus edellyttää jätevedenpuhdistamojen toiminnanharjoittajilta fosfaattien kierrätystä.
Fosforia voidaan ottaa talteen jätevedestä, jätevesilietteestä sekä poltetun jätevesilietteen tuhkasta.
Fosfaatti
Fosfaatti on epäorgaaninen kemikaali ja fosforihapon suola. Epäorgaanisia fosfaatteja louhitaan fosforin saamiseksi maatalouden ja teollisuuden käyttöön. Orgaanisessa kemiassa fosfaatti eli organofosfaatti on fosforihapon esteri.
Älä sekoita englanninkielistä nimitystä phosphorous alkuaineeseen phosphorus eli fosforiin (kemiallinen merkki P). Ne ovat kaksi eri asiaa. Fosfori on typpiryhmän moniarvoinen epämetalli, jota esiintyy yleisesti epäorgaanisissa fosfaattikivissä.
Orgaaniset fosfaatit ovat tärkeitä biokemiassa ja biogeokemiassa.
Fosfaatti on ionin nimi, jonka kaava on PO43-. Fosforihapoke puolestaan on kolmiproottisen hapon H3PO3 nimi. Tämä on yhdistelmä, jossa on 3 H+ -ionia ja yksi fosfiitti-ioni (PO33-).
Fosfori on alkuaine, jonka kemiallinen merkki on P ja järjestysluku 15. Fosforiyhdisteitä käytetään laajalti myös räjähteissä, hermomyrkyissä, raapaisutulitikuissa, ilotulitteissa, torjunta-aineissa, hammastahnassa ja pesuaineissa.
Struviitti
Struviitti, jota kutsutaan myös magnesiumammoniumfosfaatiksi (MAP), on fosfaattimineraali, jonka kemiallinen kaava on NH4MgPO4·6H2O. Struviitti kiteytyy ortorombisessa kidejärjestelmässä valkoisina tai kellertävinä tai ruskehtavan valkoisina pyramidimaisina kiteinä tai levymäisinä muotoina. Struviitti on pehmeä mineraali, jonka Mohsin kovuus on 1,5–2 ja suhteellinen tiheys alhainen, 1,7. Neutraaleissa ja emäksisissä olosuhteissa struviitti liukenee hyvin heikosti, mutta se voidaan liuottaa helposti happoon. Struviittikiteitä muodostuu, kun magnesiumin, ammoniakin ja fosfaatin moolisuhde jätevedessä on 1:1:1. Kaikki kolme alkuainetta – magnesium, ammoniakki ja fosfaatti – ovat tavallisesti läsnä jätevedessä: magnesium tulee pääasiassa maaperästä, merivedestä ja juomavedestä, ammoniakkia muodostuu jäteveden urean hajotessa ja fosfaatti päätyy jäteveteen ruoasta, saippuoista ja pesuaineista. Kun nämä kolme alkuainetta ovat läsnä, struviittia muodostuu todennäköisemmin korkeammilla pH-arvoilla, suuremmalla sähkönjohtavuudella, matalammissa lämpötiloissa ja suuremmilla magnesiumin, ammoniakin ja fosfaatin pitoisuuksilla. Fosforin talteenotto jätevesivirroista struviittina ja näiden ravinteiden kierrättäminen maatalouden lannoitteeksi on lupaavaa.
Struviitti on arvokas, hitaasti ravinteita vapauttava mineraalilannoite, jota käytetään maataloudessa ja jonka etuja ovat rakeisuus, helppokäyttöisyys ja hajuttomuus.