För att förbättra framför allt befintlig teknik (markbäddar och infiltration) utveck- las olika filtermaterial som har en fosforsorberande förmåga. Med kemisk sorp- tion avses att fosfor fås att reagera kemiskt med ämnen som finns bundna i ett material som avloppsvattnet rinner genom. Sorptionsmaterialet kan antingen blan- das in i t.ex. markbäddsmaterialet, och på så sätt bli en del av mark- eller filter- bädden, eller också kan sorptionen utformas som ett eget steg i reningen. Oftast placeras detta steg efter reningen av biologiskt lättnedbrytbart material, för att inte biofilm skall blockera sorptionsmaterialets bindningsytor. En annan fördel med att placera sorptionsmaterialet i ett eget steg är att det på så sätt lättare kan bytas ut när det mättats. Ett sådant sorptionssteg kan också kombineras med andra typer av reningsanläggningar än markbädd och infiltration.
Slutsatser
En grov indikering av materialbehovet för att sorbera fosfor ger följande över- slagsberäkning: Ett av de bästa materialen för fosforsorption är FILTRALITE från Norge, vars sorberande förmåga är 2,2 g P/kg vid jämviktshalten 0,32 g P/liter lösning (Zhu m.fl., 1997). En rimlig halt av P i hushållsspillvatten är ca 20 mg/l. Vid denna halt var sorptionsförmågan för FILTRALITE ca 0,5 g/kg. Detta inne- bär att per person och heltidsdygn mättas ca 3,6 kg av filtermaterialet, eller omkring ett ton per person och år. Johansson (1998) har för bl.a. kristalin masugnsslagg mätt upp liknande sorptionsförmåga. Den verkliga
sorptionsförmågan i en avloppsanläggning vet vi emellertid inte utifrån dessa korta laboratorieförsök. Den biohud som kan bildas på materialet kan göra att sorptionsförmågan blir mindre. Den kan också bli väsentligt större då materialet åldras och nya bindningsytor bildas och exponeras. Mätningar av Zhu m.fl. (1998) i en verklig våtmark med mättat flöde styrker att sorptionsförmågan för
FILTRALITE är 0,5–1 g/kg. Avlopp från två hushåll belastade anläggningen och under de första fyra åren mättades ca 7 m3 material/år.
Nyligen har man i Norge utvecklat FILTRALITE P med förbättrad fosforupptag- ning. Detta material skall vid jämviktshalten 0,32 g P/liter lösning adsorbera 8,2 g P/kg, och dess adsorptionsförmåga skall i praktiken vara 2–4 g P/kg (Jenssen & Krogstad, 2001). Detta innebär att per person och heltidsdygn skulle 0,5–1 kg av filtermaterialet mättas med fosfor.
För de flesta materialen är det oklart hur de fungerar i praktiken, hur hydrauliken fungerar och vilken fosforupptagningsförmåga de verkligen har. Såväl med FILT- RALITE som med andra sorptionsmaterial är oklarheterna dessutom stora vad gäller fosforns växttillgänglighet, materialets upptag av tungmetaller, andra miljö- störande ämnen och patogener, samt hur hanteringen med hämtning, transport och spridning rent praktiskt skall gå till. Ett behov av 0,5–4 kg FILTRALITE per dygn innebär – då det är en sintrad produkt – en väsentlig energiförbrukning för
tillverkning och transport av material till anläggningen, från anläggningen till jordbruksmark och dess spridning på jordbruksmark.
Eftersom erfarenheten är liten från system med P-sorption har inte någon bedöm- ning gentemot kriterierna kunnat göras.
Systemets möjligheter samt FoU-behov
Potentialen för dessa system är svår att bedöma. En stor fördel med dessa system, jämfört med sådana med kemisk fällning, är att skötsel- och underhållsbehov är litet samt att de troligen är robusta. Detta förutsätter dock att de fungerar långsik- tigt hydrauliskt.
Potentialen för dessa system kan vara stor, men den är mycket osäker då kunskaps- underlaget är dåligt och de praktiska erfarenheterna motstridiga. I Norge har man med FILTRALITE erhållit god fosforreduktion i rotzonsanläggningar med mättat flöde (Zhu, 1998) medan i Sverige flera praktiska försök utfallit negativt, t.ex. i Östhammar (Carlsson, 1995) och Vibyåsen (Nykvist, pers. medd.).
Om systemet fungerar förefaller materialflödena bli stora, 0,5–4 kg/person och dygn, varför en bedömning av systemet ur miljö- och resurssynpunkt, t. ex. i form av en LCA-bedömning, måste ges högsta prioritet.
Kvarnström (2001) studerade totalt fyra olika filtersubstrat från infiltrations- bassänger eller konstruerade våtmarker (constructed subsurface flow wetlands). Innehållet av tungmetaller var lågt i filtermaterialen. På grund av det likaså låga innehållet av total-P kunde bara ca 14 % av behovet av ett vattenlösligt fosfor- gödselmedel ersättas av filtersubstraten, med hänsyn till de svenska gränserna för tungmetalltillförsel till åkermark.
Områden som är dåligt utredda är sorptionsmaterialens potential som gödsel- medel, deras hydraulik på kort och lång sikt, samt hur sorptionen påverkas av
biofilm och av åldrande. Forsknings- och utvecklingsbehovet är således stort rörande alla delar av systemet, vilka material som kan användas, hur en bra hydraulik och uthållig sorption kan erhållas, hur stor sorptionen av smittämnen och tungmetaller är, hur systemen skall utformas för att materialet på ett smidigt sätt skall kunna åter- föras till och spridas i odling, vilket växtnäringsvärde materialet har och hur det före sådan återföring bör hygieniseras. Möjligheten att utvinna och rena fosforn
ur sorptionsmaterialet bör också undersökas, eftersom det inte alls är säkert att sorptions- materialet direkt kommer att accepteras som fosforgödselmedel.
Litteratursammanställning
Nilsson (1990) utförde försök i laboratorieskala där granulerat slagg i filterboxar undersöktes som ett möjligt alternativ till markbäddar. Försöken visade att den hydrauliska kapaciteten var mycket låg eftersom materialet vittrade och satte igen filtret. Mikroorganismerna trivdes dock i materialet men den biologiska tillväxten blockerade adsorptionsytorna. Slutsatsen var att tekniken är intressant, men bör prövas med annan typ av filtermaterial.
Nilsson (1990) undersökte en annan teknik för att öka fosforreduktionen, tillämpbar för både markbäddar och infiltrationsanläggningar, som bestod i att lägga lager av fosforsorberande material i marken. I två fullskaleförsök användes aluminiumhyd- roxidslam som mellanlager i markbäddar dimensionerade för 128 respektive 250 personer. I den första bädden blev kvaliteten på det utgående vattnet acceptabel, medan det från den andra (Önneköp) blev mycket god. I Önneköp var det genom- snittliga flödet det första året 93 m3 per dygn och det andra året 83 m3 per dygn. Anläggningen bestod av tre parallella sandfilter med en total area på 2000 m2, där
belastningen var 75 l/m2och dygn vid dosering, och totalt 50 l/m2 och dygn. Resul- taten från studien redovisas i Bilaga 3. En slutsats från försöken var att aluminium- hydroxidslam är en effektiv tillsats till markbäddar. Det konstaterades vidare att viloperioder är viktiga för att upprätthålla god hydraulisk förmåga och fosforreduk- tion, samt att den hydrauliska belastningen bör vara ca 25–35 l/m2 och dygn under doseringsperioder. För att undvika kapacitetsproblem är det viktigt att begränsa till- förseln av suspenderad substans till markbädden (Nilsson, 1990).
Några av Nilssons (1990) sammanfattande slutsatser i sin doktorsavhandling om infiltration av avloppsvatten var att:
• det finns ett stort behov av en standardisering av metodiken för markanalyser,
• viloperioder visade sig ha liten påverkan på reduktionen av BOD,
• den hydrauliska kapaciteten kan öka med 100 % vid intermittent drift av ett marksystem,
• en belastning på 480 l/m2 och dygn är möjlig vid dosering och 190 l/m2 och dygn totalt, för slamavskiljt avloppsvatten,
• den hydrauliska belastningen beror mycket av belastningen av SS och BOD; det är svårt att uppgradera förbehandlingen, så att mindre area behövs (då krävs mycket hög grad av förbehandling),
• P-reduktionen kommer att avta med ökande belastning när belastningen är högre än 200 l/m2 och dygn.
Zhu m.fl. (1997) genomförde försök i laboratorieskala. Tester utfördes på 10 lätt- viktsmaterial (LWA: Light Weight Aggregates) med avseende på deras potentiella förmåga att reducera fosfor. Tre av lättviktsmaterialen var av FILTRALITE-typ bestående av bränd naturlig minerallera, tre av materialen var av Leca-typ och två av materialtyperna var järnrik sand. Materialen tillsattes lösningar med viss fos- forhalt, och efter 24 timmar mättes och jämfördes fosformängden i lösningen med den mängd som fanns i lösningen från början. Jämförelsen visade att det ameri- kanska materialet UTELITE hade högst P-sorberande förmåga av materialtyperna (3,16 g P/kg) när en fosforlösning med koncentrationen 320 mg P/l användes. Denna P-koncentration är dock mångdubbelt högre än för vanligt avloppsvatten, och ur ett diagram i artikeln kan utläsas att vid en fosforkoncentration på ca 20 mg P/l varierar materialens sorptionsförmåga mellan 0 och ca 0,5 g P/kg material. Materialens P-sorberande förmåga visas i Tabell 14. I tabellen redovisas det bästa resultatet för de tre FILTRALITE respektive Leca-materialen samt de två sand- materialen. Vidare har två amerikanska material med mycket låg förmåga att sor- bera P utelämnats i tabellen. Slutsatser från studien var bland annat att variationer i fosforsorptionen beror på kemiska egenskaper hos LWA. Av de kemiska egen- skaperna hos LWA var det totala metallinnehållet som starkast korrelerade till kapaciteten för P-sorption. Av de fyra metalljonerna Mg, Ca, Fe och Al var det Ca som var starkast korrelerat till materialens kapacitet att sorbera fosfor.
Tabell 14. Driftdata från laboratorieförsök med P-sorberande material.
Källa Typ av material P-
koncentration mg/l P- sorberande förmåga g/kg P- reduktion % Zhu, 1997 UTELITE 320 3,5 20 ca 0,5a
Zhu, 1997 Lehigh Cement VA 320 2,9
20 ca 0,25 a
Zhu, 1997 FILTRALITE 320 2,2
20 ca 0,5 a
Zhu, 1997 Leca 320 0,6
20 ca 0,1 a
Zhu, 1997 järnrik sand 320 0,5
20 Framgår ej
Johansson m.fl., 1999 amorfslagg 0-0,125 mm 20 0,45 b ca 45 a
Johansson m.fl., 1999 amorfslagg 0,25-4 mm 20 0,35 b ca 35 a
Johansson m.fl., 1999 kristallinslagg 0-0,125 mm 20 0,6 b ca 60 a
Johansson m.fl., 1999 kristallinslagg 0,25-4 mm 20 0,75 b ca 75 a
Johansson m.fl., 1999 opoka (naturlig) 20 0,1 b ca 10 a
Johansson m.fl., 1999 kalksten 20 0,75 b ca 75 a
Johansson m.fl., 1999 rostjord 20 0,4 b ca 40 a
a) utläst ur diagram
b) egna beräkningar utifrån värden i diagram och uppgifter i artikeln
I en laboratoriestudie testades olika material (sorbenter) med avseende på fosfor- sorberande förmåga (Johansson m.fl., 1999). Sorptions- och uthållighetsegenskaper studerades i skak- och kolonnförsök medan växttillgängligheten undersöktes i extraktions- och kärlförsök (odlingsförsök med korn). De fosforsorberande material som testades var: naturlig och bränd kalk, naturlig och upphettad opoka, rostjord, masugnsslagg (amorf och kristallin i olika fraktioner) och Leca. Resultaten från skakförsöken visade att med undantag för den naturliga opokan (och Lecan vars resultat inte redovisas i artikeln) hade alla de undersökta materialen hög sorptions- kapacitet, vilken avtog med ökande P-koncentration i lösning. I artikeln hänvisas även till tidigare resultat där bränd opoka hade hög sorptionskapacitet, vilket för- klaras av att bränd opoka består av CaO som binder fosfor mer effektivt än den naturliga opokans CaCO3. Resultaten från skakförsöken visade att Leca hade låg fastläggningskapacitet, medan slaggmaterialen visade en fortsatt hög fastläggnings- kapacitet vid försökets avslut. I Tabell 14 visas den ungefärliga sorptionskapacite- ten för olika material, baserat på skakförsöken. I stort sett all sorberad fosfor kunde med en aluminiumlaktatlösning extraheras från bränd opoka (som jämviktats med en P-lösning med 20 mg P/l). Vid samma jämviktslösning kunde även stora mäng- der fosfor extraheras från kristallint slagg och kalksten. Studierna av växttillgäng- ligheten indikerade däremot ett överlägset stort upptag av fosfor från det kristallina slagget.
Ett exempel på en kombinerad slamavskiljare och biologiskt filter är anläggningen Ecobox® F3 (Ecobox, 2001), vilken består av en trekammarbrunn med ett stenulls- filter i mitten. Tillverkaren refererar till en provning av enbart filtret i anläggningen,
utförd av Svenska Miljöinstitutet AB (IVL), i en pilotskalemodell nedskalad med en faktor 14 jämfört med fullskaleanläggningen. Vid provningen användes vatten, vilket innehöll upp till 170 mg BOD/l. Enligt tillverkarens uppgifter visade testet att BOD-reduktionen i biofiltret var 48–88 % beroende på yttre omständigheter, där den lägre siffran gällde för låga belastningar. Oavsett "yttre omständigheter" översteg inte utgående halt av BOD 20 mg/l under IVLs tester. Reduktionen av P låg mellan 82 och 94 % under testerna, vilket innebar en utgående fosforhalt på under 0,2 mg/l. Reduktionen förefaller dock hög jämfört med annan litteratur. Slamavskiljaren har en våtvolym på ca 2,1 m3 och är anpassad för ett flöde på upp till 0,8 m3 per dygn av BDT- och klosettvatten, eller upp till 1,6 m3 per dygn av enbart BDT-vatten. Enligt tillverkarens informationsbroschyr behöver det biologiska filtret bytas efter fyra års användning. Man uppger vidare att 1 kg filtermaterial ger ca
10 300 m2 aktiv yta.