Възстановяване на фосфор от третирането на отпадъчни води

Фосфорът е ключов елемент за човешкия живот и производството на храни. Понастоящем той се добива предимно от фосфорит, чиито находища са концентрирани в ограничен брой държави, като Мароко, Китай и САЩ. От друга страна, недостатъчното оползотворяване на фосфора и изтичанията на фосфат-съдържащи торове, детергенти и отпадъчни води във водните тела водят до проблеми, свързани с еутрофикация. Поради тези причини все по-голямо внимание се обръща на разработването на технологии за възстановяване на фосфор от отпадъчни потоци и повторното използване на получените продукти в селското стопанство или промишлеността. При третирането на отпадъчни води фосфорът се отстранява от тях посредством химични или биологични методи. Вследствие на това той се натрупва в утайките, които се подлагат на анаеробно разлагане, обезводняване и инсинерация. Така възможностите за възстановяване на фосфор са три – от отстранената при обезводняване вода, от самите анаеробно третирани утайки или от пепелта, получена от изгарянето им. В момента над 70 инсталации за възстановяване на фосфор са в експлоатация в Европа, Северна Америка и Източна Азия.

Възможности

Възстановяването от течната фаза е ограничено до под 50-60%, тъй като останалото количество фосфор се отстранява заедно с утайките. Обикновено степента на възстановяване е между 10 и 40%. Полученият продукт е или струвит (магнезиево-амониев фосфат), или калциев фосфат. Предимството на този подход е, че включва добавянето на етап на третиране, което позволява лесната интеграция на процеса в съществуващи пречиствателни станции за отпадъчни води (ПСОВ).

Тъй като между 90 и 95% от постъпващия в ПСОВ фосфор попадат в утайките, на толкова процента възлиза и потенциалът на технологиите за възстановяването му в тази фаза. Именно поради това интересът към тази алтернатива е най-висок. Утайки от ПСОВ са използвани и директно като почвен подобрител, но това е свързано с рискове заради съдържанието на тежки метали, патогенни микроорганизми и органични замърсители. Затова технологиите за възстановяване на фосфор от утайки трябва да могат да се справят с тези замърсители. Най-разпространените методи за целта са кристализацията и химичните технологии с използване на силна основа или киселина.

При възстановяването на фосфор от пепелта от инсинерирани утайки от ПСОВ от интерес е единствено случаят, когато не се прилага съвместно изгаряне с други видове отпадъци. Това е така, защото при съвместното изгаряне концентрацията на фосфор се понижава, а нивата на замърсителите се нарастват. При инсинерация обемът на утайките намалява значително, като се постига и елиминиране на органичните замърсители и патогените. Обикновено в пепелта съдържанието на фосфор достига до близо 90% от общото количество, постъпващо в ПСОВ. Предимство на тази алтернатива е малкият обем на пепелите, позволяващ лесното им транспортиране.

Характеристиките на пепелите от утайки от ПСОВ, както и целесъобразността на възстановяването на фосфор, зависят от прилаганите пречиствателни процеси. Ако се прилага химично отстраняване на фосфора, трябва да се имат предвид високите нива на алуминий и желязо. Има потенциал пепелите да бъдат използвани и директно като почвен подобрител, ако съдържанието на тежки метали отговаря на зададените в законодателството стойности. В този случай обаче биологичната достъпност на фосфора е ниска в сравнение с тази на търговски предлаганите торове. За редуциране на съдържанието на тежки метали и повишаване на биологичната достъпност на фосфора в пепелите от утайки от ПСОВ се прилагат термохимични методи.

Продукти

С няколко изключения, повечето от процесите за възстановяване на фосфор включват отделянето му чрез утаяване/кристализация на калциев фосфат или струвит. Калциевият фосфат (хидроксил апатит) е продукт със свойства, пряко сравними с тези на фосфорита. Поради тази причина, трябва да се има предвид, че кинетиката на утаяването на калциев сулфат има по-важна роля, отколкото факторите, свързани с термодинамичното равновесие. Затова в повечето случаи изобщо не се осъществява спонтанно утаяване от разтвора, освен ако не е налице много високо пренасищане. Сепарацията на калциев фосфат обаче може да бъде постигната чрез добавянето на кристални зародиши, например пясък или калциев силикат хидрат, които могат да инициират процеса на утаяване/кристализация.

За да се получи струвит е необходимо да се осигури стехиометрично съотношение на магнезий, амониев радикал и фосфат от 1:1:1. Филтратите от обезводняване на утайките от ПСОВ са особено подходящи за утаяване на магнезиево-амониев сулфат, тъй като е необходимо да се добави само магнезий. Поради термодинамични фактори, утаяването на калциев фосфат и струвит става само при алкално pH (стойност между 8 и 10).

Струвитът се счита за ефективен почвен подобрител с бавно отделяне на азот и фосфор. Характеризира се с ниска разтворимост във вода (0,018 g/100 ml при 25°C), което понижава мобилността на хранителните вещества в сравнение с силно разтворимите торове. Както беше споменато, калциевият фосфат е подобен на фосфорита, което позволява използването му като директен заместител в промишленото торово производство. Възможно е и смесването на калциевия фосфат с други хранителни елементи и директното му прилагане като почвен подобрител с ниска скорост на отделяне.

Икономическа целесъобразност

Възстановяването на фосфор чрез процес на кристализация е обект на задълбочени проучвания и вече се прилага широко, което доказва техническата осъществимост на метода. Установено е, че от 100 m3 битови отпадъчни води със средна концентрация на фосфатни йони от 7 mg/l може да се получи 1 kg магнезиево-амониев фосфат при ефективност на възстановяване на фосфора от 55,3%.

Икономическата целесъобразност на процеса се определя предимно от оперативните разходи и приходите от търговската реализация на крайния продукт. Според скорошно проучване, експлоатационните разходи за възстановяването на фосфор варират между 2,2 и 8 евро на килограм фосфор в зависимост от използвания процес. Разходите и инвестициите обаче ще бъдат толкова по-високи, колкото по-ниска е концентрацията на фосфор в изходната суровина. Затова преди предприемане на процеси по внедряване на технология за възстановяване на фосфор от третирането на отпадъчни води е необходимо добре да се анализират характеристиките на водния поток.

Въпреки че икономическата целесъобразност на кристализацията на фосфор от отпадъчни води е силно ограничена от експлоатационните разходи, тя е свързана с много други ползи. Генерирането на нежелани утайки се редуцира, с което се понижават и разходите по охарактеризирането и обезвреждането им. В допълнение, технологията предоставя и алтернативно решение за селското стопанство и индустрията, както и възможност за предотвратяване на еутрофикацията. Следователно, ако икономическите предпоставки за възстановяване на фосфор не са достатъчни, следва да бъдат отчетени ползите за околната среда и спазването на нормите на екологичното законодателство.