Optimering av näringsbalans i bionäring – en förstudie 13.06.2013 - 31.10.2014 Slutrapport

(1)

Optimering av näringsbalans i bionäring – en förstudie 13.06.2013 - 31.10.2014

Slutrapport

Thomas Andersson Sten Engblom Kenneth Sahlén

Nina Åkerback

(2)

1. Inledning

Biogasproduktion är en intressant och allt vanligare form av energiproduktion. Olika typer av avfallsprodukter rötas och energiinnehållet utvinns i form av biogas, medan

växtnäringsämnena stannar kvar i rötresten. Rötresten innehåller ofta för mycket fosfor i förhållande till kväve. I projektet undersöktes möjligheterna till att antingen avskilja fosfor, eller att tillsätta kväve, för att få en bättre styrning av näringsbalansen i rötresten. Optimering av näringsbalansen i gödselmedlet ger en mindre risk för övergödning eftersom en mera exakt dosering uppnås.

För Finlands¹ del omfattar de centrala målen för vattenskyddet fram till år 2015 bl.a. att eutrofieringen av kustvattnen och inlandsvattnen avstannar och att utvecklingen vänder mot det bättre, samt att försämringen av tillståndet för vattnens och strändernas organismer och deras livsmiljö avstannar och tillståndet för dem förbättras. I såväl inlandsvattnen som på havsområdena är minskningen av fosfor- och kvävebelastningen det viktigaste målet inom vattenskyddet. Fortfarande är övergödningen av vattnet så stor att den orsakar omfattande algproblem med syrebrist som följd. Även vid Bottniska vikens kust märks följderna av övergödningen.

I ett principbeslut² om skyddandet av naturens mångfald och dess hållbara användning, har statsrådet satt upp som mål bl.a. att icke-förnybara naturtillgångar används på ett ekologiskt hållbart sätt.

För Sveriges³ del arbetar Naturvårdsverket bl.a. med att ta fram ett förslag till

författningskrav avseende kvalité för att möjliggöra spridning av olika fraktioner såsom slam, matavfall och andra röt- och kompostrester till åkermark, skogsmark och övrig mark i syfte att återföra fosfor. Även urin och gödsel ingår i förslaget. Utgångspunkten är

miljökvalitetsmålet Giftfri miljö. Näringen i avlopp återförs till mark där näringen behövs utan risk för hälsa eller miljö. Ett tidigare delmål i miljömålsystemet är att år 2015 ska minst 60 % av fosforn i avlopp utnyttjas som växtnäring varav minst hälften bör återföras till åkermark.

2. Förstudiens mål

Förstudie syftade till att undersöka förutsättningarna för att skapa en bionäring med optimerad näringsbalans (fosfor/kväve) utgående från regionens rötbara avfall, som t.ex.

slam, matrester, gödsel från lantbruk och pälsdjursnäring och avfall från lokala industrier.

Huvudpunkterna bestod av en kartläggning av metoder för att avskilja fosfor ur rötrest, samt

1 Riktlinjer för vattenskydd fram till år 2015 – Statsrådets principbeslut, Suomen ympäristö 10, 2007, Miljöministeriet

2Valtioneuvoston periaatepäätös Suomen luonnon monimuotoisuuden suojelun ja kestävän käytön strategiasta vuosiksi 2012-2020, luonnon puolesta – ihmisen hyväksi, www.ymparisto.fi, (läst 17.5.2013)

3 http://www.naturvardsverket.se/upload/miljoarbete-i-samhallet/sveriges-

(3)

praktiska försök med tillsats av kväve till rötresten. Den kompetens som erhålls och de nätverk och kontakter som etablerades under projektet kommer att utgöra en grund för en ny gemensam projektansökan inom det nya Botnia-Atlantica programmet 2014-2017.

3. Kartläggning av metoder för återvinning av fosfor ur rötrest

En av arbetsuppgifterna i den här förstudien var att i form av litteraturstudie göra en kartläggning av befintliga metoder för återvinning av fosfor ur rötrest och dylika

avfallsprodukter. Främst söktes metoder som används i samband med en rötningsprocess, men också metoder som används i samband fosforåtervinning ur avloppsvatten, gödsel från lantbruk, m.m., var av intresse. De uppgifter som ansågs vara viktiga var att tekniken

fungerar i full skala, att den fungerar i samband med en rötningsprocess eller att den fungerar i pilotskala.

3.1. Bakgrund och problemanalys 3.1.1. Fosfor

Fosfor (P) är ett grundämne som bildar både oorganiska och organiska föreningar och det är en av byggstenarna för allt liv. Det finns i alla levande cellers nukleinsyror och fosfolipider. I jordskorpan är fosfor det elfte vanligaste grundämnet och ingår alltid i förening med andra ämnen i form av olika fosfater. Kalciumfosfat eller apatit är det vanligaste mineralet.⁴ I kroppen är fosfor det sjätte vanligaste grundämnet och ca 85 % finns i skelettet i form av hydroxyapatit (Ca10(PO4)6(OH)2). Av den fosfor som människor och djur får i sig är större delen löslig i form av fosfat som tas upp i tunntarmen. I naturen är fosfor ofta bundet till syre som fosfat.⁵ Överskott fosfat utsöndras via njurarna i urinen och en del försvinner med avföringen.⁶

Fosfor är viktig för världens matproduktion och det finns inget annat ämne som kan ersätta fosfor. Idag är majoriteten av jordbruken i världen beroende av gödselmedel som härrör från oorganiska mineraler, så som råfosfat. Fosfat är en icke förnybar resurs eftersom det tar 10-15 miljoner år att ”förnya” fosfatreserverna genom landhöjning och vittring. Nuvarande kända reserver kommer sannolikt att vara uttömda inom 50-100 år. Före reserverna blir uttömda kommer man i den globala produktionen att se en topp och den beräknas infalla inom de närmaste 30 åren. ”Hubbert” kurvan i figur 1 visar att den globala produktionen av fosfor kommer att nå ett maximum under 2035 varefter produktionen kommer att minska. Datan baseras på data för den kumulativa produktionen mellan 1900-2007 från US Geological Survey data och European Fertilizer Manufacturers Association (2000).⁷

4 Återvinna fosfor – hur bråttom är det?, Redaktör Birgitta Johansson, Formas Fokuserar 19/2011, sid 40

5 När fosforn sinar blir det svält http://fof.se/tidning/2010/4/nar-fosforn-sinar-blir-det-svalt läst 12.6.2014

(4)

Råfosfatreserven är starkt geografiskt koncentrerad till ett litet antal länder däribland Kina, Marocko (som kontrollerar Västsaharas reserver) och USA, se figur 2. I USA finns kända reserver som beräknas räcka i ca 25 år, Kina har infört en export tull på 135 % för att säkra den inhemska tillgången, västra Europa och Indien är helt beroende av import av

mineralgödsel.⁸

Figur 1. ”Peak” fosforkurvan.⁹

Figur 2. Världens råfosfat reserver¹⁰.

8 http://phosphorusfutures.net/why-phosphorus.html (läst 16.6.2014)

9 http://phosphorusfutures.net/why-phosphorus.html (läst 16.6.2014)

(5)

3.1.2. Hållbar användning av fosfor

I varje steg av fosforlivscykeln förekommer spill och förluster med eutrofiering av

vattendrag, sjöar och hav som följd. Fosfor är en ändlig resurs som finns i berg och mark. I marken råder redan nu fosforbrist och globalt befaras fosfor bli en bristvara¹¹. Vi behöver effektivera vår fosforanvändning med effektivare produktion och användning tillsammans med återvinning och minimering av spill. Europeiska unionen förespråkar ett resurseffektivt Europa¹² med bl.a. effektivare utnyttjande av metaller och mineraler och vi bör optimera användningen av bl.a. fosfor samt motverka eutrofieringen av vatten, kustområden och ekosystem från gödselmedel. I figur 3 åskådliggörs ineffektiviteten längs produktionskedjan.

Figur 3. Förluster längs fosforkedjan.¹³

Det finns flera faktorer till att EU ser över försörjningssäkerheten för fosfor. Först och främst finns det endast små reserver av fosforhaltig berggrund inom EU. Den andra är att priserna på fosfor varierar kraftigt, t.ex. år 2008 steg priset på råfosfat med 700 % vilket bidrog till högre priser på gödselmedel. Den tredje faktorn är att användningen av foder och gödselmedel

11 Återvinna fosfor – hur bråttom är det?, Redaktör Birgitta Johansson, Formas Fokuserar 19/2011, sid 25

12 Meddelande från Kommissionen till Europaparlamentet, Rådet, Europeiska ekonomiska och sociala

kommittén och Regionkommittén Färdplan för ett resurseffektivt Europa, Bryssel 20.9.2011 (SEK(2011) 1067, SEK(2011) 1068), sid 13, Bilaga: Resurseffektivitet

13 Meddelande från Kommissionen till Europaparlamentet, Rådet, Europeiska ekonomiska och sociala

(6)

omfattar ca 90 % av den totalt utvunna mängden fosfor, vilket betyder att det finns små möjligheter att ställa om från mindre viktiga användningar. Idag används fosfor ineffektivt i många steg av livscykeln, detta orsakar vattenförorening och slöseri med tillhörande resurser.

Även föroreningar i råmaterialet så som kadmium och uran orsakar hälso- och miljöproblem.

Ett effektivare utnyttjande och minskade förluster ger betydande fördelar för miljön och resursanvändningen. I regioner där grödor odlas tenderar markens fosfornivåer att stabiliseras men fortfarande behövs fosforhaltiga gödselmedel. Områden med intensiv djurproduktion är ofta koncentrerad till områden med tät befolkning och i dessa områden tenderar

gödseltillförseln vara för stark, vilket ger en ökning av fosfathalterna i marken vilket i sin tur ökar riskerna för förorening av vatten. Även tillväxten i större städer har lett till högre halt av fosfor i avloppsvatten och livsmedelsavfall.¹⁴

De åtgärder som hittills vidtagits på nationell och internationell nivå samt inom EU har gjorts med tanke på förebyggande av vattenförorening eller andra politiska mål, inte med tanke på att återvinna eller spara på fosfor. Sverige är det enda landet hittills där man fastställt ett nationellt interimistiskt mål på att fram till år 2015 ska minst 60 % av fosforföreningarna i avloppsvatten återvinnas för användning på produktiv mark och minst hälften av denna mängd ska återföras till odlingsmark¹⁵.

Efter att den första europeiska konferensen om hållbar användning av fosfor inrättades en europeisk fosforplattform, European Sustainable Phosphorus Platform (ESPP). Syftet var att skapa en europeisk marknad för återvunnet fosfor och på så sätt uppnå en mer hållbar användning av fosfor.^16,17

Bättre återvinning och användning av organisk fosfor skulle stabilisera den mängd brutet fosfat som behövs samt minska jord- och vattenföroreningar. På lång sikt skulle det innebära en möjlighet att kunna sluta fosforcykeln.¹⁸

3.1.3. Fosforns naturliga kretslopp

Man kan säga att fosforn har tre naturliga kretslopp. Det första är vittring av berggrunden.

Det ger löslig fosfor och man räknar med att vittringen ger 13 miljoner ton fosfor per år.

Fosforn kommer ut i floder, sjöar och hav där det bildar olösligt kalciumfosfat och så

14 Meddelande från Kommissionen till Europaparlamentet, Rådet, Europeiska ekonomiksa och sociala kommittén och Regionkommittén Samrådsmeddelande om hållbar användning av fosfor, Bryssel 8.7.2013 (COM(2013 517)), sid 2-3

15 Meddelande från Kommissionen till Europaparlamentet, Rådet, Europeiska ekonomiksa och sociala kommittén och Regionkommittén Samrådsmeddelande om hållbar användning av fosfor, Bryssel 8.7.2013 (COM(2013 517)), sid 3

16 Meddelande från Kommissionen till Europaparlamentet, Rådet, Europeiska ekonomiksa och sociala kommittén och Regionkommittén Samrådsmeddelande om hållbar användning av fosfor, Bryssel 8.7.2013 (COM(2013 517)), sid 2-3

17 http://www.phosphorusplatform.org/downloads/148-joint-declaration.html

18 Meddelande från Kommissionen till Europaparlamentet, Rådet, Europeiska ekonomiksa och sociala kommittén och Regionkommittén Samrådsmeddelande om hållbar användning av fosfor, Bryssel 8.7.2013

(7)

småningom blir det nya sedimentära bergarter. Det här kretsloppet tar miljontals år. Den andra cykeln är landbaserad i och med att fosforn i marken tas upp i växterna. Från växterna flyttas fosforn över till djur. Den här cykeln tar något år. Den tredje cykeln är vattenbaserad och fosforn flyttas från floder till vattenbaserade växter och organismer och tillbaka till vattnet igen. Den här cykeln tar några veckor.¹⁹

3.1.4. Biologisk fosforrening

Biologisk fosforrening, också kallat bio-P, är en metod som utvecklades av en slump redan på 1960-talet. Ett förhöjt nettoupptag av fosfor kunde observeras i aktivslamprocessen på

reningsverk under vissa processbetingelser. Det huvudsakliga syftet med aktivslamprocessen var då att rena spillvatten från organiskt material (BOD), inte näringsämnen såsom fosfor.

Processbetingelser med omväxlande anaeroba och aeroba förhållanden gynnade naturligt förekommande mikroorganismer med egenskapen att ackumulera fosfor. De här specifika bakterierna tar upp löst fosfor från vattnet. Fosforn lagras i bakteriernas cellstruktur i större utsträckning än vad vanliga bakterier gör. Cellmassan, som utgör biomassan, avlägsnas ur systemet och en betydande mängd fosfor avlägsnas då från vattenströmmen. På 1980-talet ställde många reningsverk om till biologisk kväverening och många införde då också en bio- P process. I och med ökade krav från EU på minskad tillförsel av fosfor till naturen har intresset för bio-P ökat som ett alternativ till konventionell kemisk fosforavskiljning. Det kemiskt fällda slammet innehåller mer metallsulfater och metallhydroxider. Dessa metallkomplex binder sig kemiskt till vattenmolekylen, vilket resulterar i att det kemiskt fällda slammet kan vara svårare att avvattna än bio-P slammet. Bio-P processen gynnar flockformande bakterier framför filamentbildande. Det här betyder att slamegenskaper som gör att slammet lättare sedimenterar främjas. Fosforn är mer biotillgänglig då det inte är uppbundet i ett metallkomplex, halterna av tungmetaller i slammet minskar och slammet får ett bättre näringsinnehåll.²⁰

3.2. Tillgängliga tekniker för fosforåtervinning

Det finns många olika tekniker för återvinning av fosfor. I den här kartläggningen har metoder som ger en slutprodukt som kan användas som gödselmedel direkt eller som råvara vid framställning av mineralgödsel beskrivits. Teknikerna som presenteras i den här

rapporten fungerar idag antingen i full eller i pilotskala.Kartläggningen är inte komplett.

Tyréns gjorde 2013 på uppdrag av Naturvårdsverket en kartläggning och

kunskapssammanställning av befintliga tillämpbara tekniker för utvinning av fosfor.²¹ Behandlingsteknikerna indelades efter utgångsmaterial och huvudprincip i följande fem

19 Återvinna fosfor – hur bråttom är det?, Redaktör Birgitta Johansson, Formas Fokuserar 19/2011, sid 40-41

20 http://www.svensktvatten.se/Vattentjanster/Avlopp-och-Miljo/Reningsteknik/Biologisk-fosforrening/ (läst 10.6.2014)

(8)

grupper:²² 1. Löst fosfor i vätska, 2. Fosfor i rötat slam utan utlakning, 3. Fosfor i rötat slam/biomassa med utlakning, 4. Fosfor i slamaska med utlakning samt 5. Fosfor i slamaska termisk behandling.

Här kommer vi att fokusera på två tekniker som bevisligen fungerar i praktisk skala, och i ett kort sammandrag gå igenom de andra teknikerna.

3.2.1. Pearl-tekniken

I Tyréns rapport ingår Pearl-tekniken under rubriken Löst fosfor i vätska. Pearl® processen utvecklades vid University of British Columbia i Kanada²³ och marknadsförs av företaget Ostara²⁴. Genom Pearl-processen framställs en struvitprodukt. Rejektvattnet från avvattningen av rötat bio-P slam behandlas i en kristallisationsreaktor. Vid inloppet till reaktorn doseras magnesiumklorid och natriumhydroxid till rejektvattnet.

Struvit bildas enligt²⁵:

Mg²⁺(aq) + NH4+(aq) + PO43- (aq) + 6 H2O(l)  MgNH4PO4∙6H2O(s)

Reaktorn är cirkulär med en mindre diameter nedtill än upptill, se figur 4. Vätskeströmmen i reaktorn är uppåtgående. Struvitkristallerna som bildas sjunker till botten, när de är

tillräckligt stora, där de också tas ut. Det utgående vattnet leds från toppen tillbaka till

reningsverkets inkommande vatten. Ett recirkulationsflöde med ymp-kristaller tas från toppen och förs tillbaka till kristallisationsreaktorn.²⁶

De färdiga struvitgranulerna, som fått namnet Crystal Green^, avvattnas, torkas och packas i säck. Den slutliga produkten är granuler med sammansättningen 5% N, 28 % P2O5, 10 % Mg och 0 % K²⁷. Crystal Green är ett långsamt verkande gödselmedel. Fosfor, kväve och

magnesium frigörs långsamt och verkningstiden är ca 160-200 dagar. Det betyder att risken för läckage till vattendrag, sjöar och hav minimeras.²⁸ Tungmetallföroreningar i granulerna förekommer enligt följande: arsenik <8 ppm, cadmium < 0,4 ppm, krom < 5 ppm, bly < 8 ppm, molybden < 4 ppm, nickel < 2 ppm och zink < 2 ppm.²⁹

22 Behandlingsmetoder för hållbar återvinning av fosfor ur avlopp och avfall, Slutrapport 2013-04-18, Tyréns Ab, sid 9-12

23Nieminen, J. 2010. Phosphorus Recovery and Recycling from Municipal Wastewater Sludge. Thesis, School of Science and Technology, Aalto University, sid 50

24 http://www.ostara.com/

25 Bergmans, B. 2011. Struvit recovery from digested sludge At WWTP West. Thesis, Delft University of Technology, sid 18

26 Behandlingsmetoder för hållbar återvinning av fosfor ur avlopp och avfall, Slutrapport 2013-04-18, Tyréns Ab, sid 14

27 http://www.crystalgreen.com/sites/default/files/pdfs/E-CG-General-Spec-Sheet-2014.pdf (läst 6.8.2014)

28http://www.crystalgreen.com/benefits/slow-release (läst 6.8.2014)

(9)

En viss inbesparing av energi uppstår även om struvitgranulerna torkas eftersom mindre kväve behöver nitrifieras i reningsverket.³⁰

Eftersom bio-P drift förutsätts och magnesiumklorid och natriumhydroxid tillsätts ökar kemikalieanvändningen. Magnesiumklorid och natriumhydroxid ersätter inte några andra kemikalier vid reningsverket. Däremot blir det mindre fosfor att avskilja i huvudströmmen vilket underlättar bio-P driften.³¹

Metoden ökar inte avfallsmängden vid reningsverket. Fosforhalten minskar i

överskottsslammet från reningsverket vilket gör att den relativa föroreningshalten relativ fosfor ökar.³²

Med metoden återvinns ca 20-35 % av fosforni inkommande vatten till reningsverket. På samma gång återvinns 2-5 % av ammoniumkvävet i inkommande vatten utöver den kvävemängd som naturligt hamnar i övrigt bioslam.³³

Figur 4. Ostara´s Pearl® Nutrient Recovery Process³⁴

I USA och Kanada finns det sju anläggningar i full skala, tre anläggningar är under uppbyggnad i Nordamerika. I England finns en anläggning i bruk och i Tyskland är en anläggning under uppbyggnad.³⁵

Vid Västra strandens avloppsreningsverk i Halmstad har tekniken testats i pilotskala.³⁶ Här användes tekniken för att testa fosforåtervinning ur det rejektvatten som uppkommer när slam

(10)

efter rötning avvattnas. Reningsverket använder sig av biologisk fosforrening, vilket är en förutsättning för att tekniken skall fungera. I en kemisk fosforavskiljning med järn- eller aluminiumfällning binds fosforn för hårt i fällningen. Man var i Halmstad också tvungen att upphöra med att dosera järn vid avvattningen för att undvika att binda upp fosfor under testkörningen. Flödet till pilotanläggningen var ca 3,9 m³/dygn, vilket var mindre än 2 % av det totala flödet. I genomsnitt återvanns 86 % av rejektvattnets fosfor i form av struvit, medan reduktionen i ammoniumkväve var 12 %. Trots några driftsstörningar var slutsatsen att tekniken är stabil och okomplicerad att sköta.

3.2.2. AirPrex-tekniken

I Tyréns rapport ingår AirPrex-tekniken under rubriken Fosfor i rötat slam utan utlakning.

Tekniken utvecklades för Berliner Wasserbetriebe (BWB) vid Waßmannsdorf-anläggningen nära flygplatsen Schönefeld i Berlin. Det tyska P.C.S. GmbH (Pollution Control Service) har licens att marknadsföra tekniken under namnet AirPrex.³⁷ Det finns också en

fullskaleanläggning i Mönchengladbach³⁸.

En AirPrex anläggning är under uppbyggnad vid avloppsvattenreningsverket Amsterdam- West i Nederländerna. Det blir Europas största kommunala anläggning för tillvaratagande av fosfor. Vid Amsterdam-West rötas avloppsslammet för att producera biogas. Reaktorerna kommer att årligen producera 1000 ton struvit som gödselmedel.³⁹

AirPrex-tekniken fungerar så att rötat bio-P slam leds till en struvitreaktor där

magnesiumklorid doseras och där koldioxid drivs av genom luftning. Luften tillförs av två orsaker, den första är höja pH genom avdrivning av CO2 från rötslammet. Då pH ökar, minskar lösligheten för struvit. För det andra växer struvitkristallerna till sig genom att lufttillförseln ger upphov till ett internt recirkulationsflöde. Struvitkristallerna växer tills de uppnår den storlek vid vilken de sedimenterar.^40,41 Reaktorn som är cirkulär har en inre ring som delar reaktorn i två zoner, se figur 5. Innanför den inre ringen sker luftningen. Utanför den inre ringen sker sedimenteringen. Det inkommande slammet leds till mitten av reaktorn.

Med luftbubblorna förs slammet uppåt i reaktorn och når ytskiktet varefter det automatiskt leds mot periferin där utgående slam lämna reaktorn. Struvitpartiklarna sedimenterar i den yttre ringen tillsammans med en del av slammet. I den trattformiga bottenzonen lyfts slammet

36 Pilotförsök med fosforåtervinning enligt Ostaras metod i Västra Strandens avloppsreningsverk, Veolia Vatten och Laholmsbuktens VA, 2013-07-15

37 Nieminen, J. 2010. Phosphorus Recovery and Recycling from Municipal Wastewater Sludge. Thesis, School of Science and Technology, Aalto University, sid 42

38 Bergmans, B. 2011. Struvit recovery from digested sludge At WWTP West. Thesis, Delft University of Technolog, sid 19

39 http://www.dutchwatersector.com/news-events/news/7635-europe-s-largest-phosphate-recovery-installation- under-construction-at-wwtp-amsterdam-the-netherlands.html

40 Bergmans, B. 2011. Struvit recovery from digested sludge At WWTP West. Thesis, Delft University of Technology, sid 18,19

41 Behandlingsmetoder för hållbar återvinning av fosfor ur avlopp och avfall, Slutrapport 2013-04-18, Tyréns

(11)

av luftbubblorna medan struvitpartiklarna sjunker till botten av tratten därifrån de tas ut.

Struviten förs via en skruv till en sandtvätt, tvättvattnet förs tillbaka till reningsverket.⁴²

Figur 5. AirPrex tekniken⁴³

Ammoniumjoner (NH4+) och fosfatjoner (PO43-) finns tillgängliga i tillräckliga

koncentrationer i rötslammet medan magnesiumjoner (Mg²⁺) tillsätts som magnesiumklorid (MgCl2) till reaktorn.⁴⁴ Kemikalieanvändningen vid reningsverket ökar men istället

underlättar metoden bio-P driften genom att det blir kvar mindre mängd fosfor att avskilja i huvudströmmen.⁴⁵

Slutprodukten är en struvitsand som marknadsförs under namnet Berliner Pflanze.

Struvitsanden innehåller 23 % fosfat (P2O5), 5 % kväve (N) och 12 % magnesiumoxid (MgO).⁴⁶ Jordbrukare kan köpa produkten för 100 €/ton. Produkten säljs också som råmaterial till gödseltillverkning och blandas då med andra gödselmedel⁴⁷. Enligt Tyréns rapport⁴⁸ kräver processen inte så mycket energi utan en viss inbesparing av energi uppstår eftersom mindre kväve behöver nitrifieras i reningsverket. Metoden ökar inte avfallsmängden vid reningsverket. Fosforhalten minskar i överskottsslammet från reningsverket vilket gör att den relativa föroreningshalten relativ fosfor ökar. Metoden bedöms återvinna ca 20-35 % av fosforn i inkommande vatten till reningsverket. På samma gång återvinns 2-5 % av

ammoniumkvävet i inkommande vatten utöver den kvävemängd som naturligt hamnar i övrigt bioslam. Enligt Nieminen⁴⁹ var investeringskostnaderna för anläggningen i Berlin 2,5

46 http://www.bwb.de/content/language1/html/6946.php (läst 8.8.2014)

(12)

M€, struvitproduktionen uppgår till 2,5 ton/dygn och kvaliteten uppfyller de gränsvärden som anges i den tyska gödselförordningen.

Waßmannsdorf-verket besöktes i augusti 2014 (se reserapport som bilaga 1). Reningsverket är ett av sex i Berlin, och behandlar avloppsvatten för 1,2 miljoner invånare. Där framgick att det minskade behovet av polymertillsats i slamavskiljningen utgjorde en större ekonomisk inbesparing än t.ex. inkomsten från struvitförsäljningen. Struvitreaktorn har eliminerat stora problem vid reningsverket i och med att man till stora delar blivit av med oönskad

struvitbildning i rör m.m. Det är endast i transporten mellan rötreaktorn och struvitreaktorn som man fortfarande kan få oönskad struvitbildning och man tillsätter därför så kallat antiinkrustationsmedel.

3.2.3. Övriga tekniker

Nedan följer ett sammandrag av övriga tekniker, grupperade enligt Tyréns indelning. Det finska företaget Ductor Oy, som besöktes i augusti 2014 (se reserapport som bilaga 2), har sökt patent för en fosforavskiljningsteknik. Tyvärr fanns inte desto mer information om denna teknik tillgänglig när denna rapport skrevs.

3.2.3.1. Löst fosfor i en vätska

Vätskan är avloppsvatten, slamvatten efter rötning eller separerad urin. Det handlar om slam från kommunala reningsverk, mejerier, slakterier eller liknande. I dessa vätskor är

fosforhalten relativt hög och ju högre fosforhalten är desto bättre. Teknikerna för

fosforåtervinning i den här gruppen är kemisk fällning/kristallisering, adsoption och jonbyte.

Följande behandlingstekniker använder kemisk fällning/kristallisering:

 PhoStrip

Utlösning av fosfat i en del av returslammet i bio-P följt av separation och utfällning av kalciumfosfat. Slammet återförs till aktivslamsteget.⁵⁰

 Prisa

I överskottsslam från bio-P fälls struvit ut ur slamvattnet eller rejektvatten.⁵¹

 Ekobalans

Efter avvattning av slam från bio-P, fälls struvit och ammoniak strippas ur rejektvattnet. Framställningen av ammoniumsulfat sker genom behandling med svavelsyra. Struviten och ammoniumsulfaten blandas och granuleras till en gödselprodukt.⁵²

 Pearl^®, se mer detaljerad beskrivning ovan (punkt 3.2.1.)

(13)

 Phosnix

Phosnix-processen utvecklades i Japan av Unitika Ltd Environmental and Engineering Div. Den är en sidoströmsprocess som kan behandla vatten i olika processer så som rötning, industriella processer och biologiska processer för avlägsnande av näringsämnen. En fullskaleanläggning finns i Shinji Eastern

Clarification Center of Shimane Prefecture (SECC) i Japan. Den har varit i bruk sedan 1998. I Osaka South Ace Center startades en reaktor år 2000. Inflödet till reaktorn är i vätskeform och kommer från slamavvattningen. Reaktorn är kolonnformad med luftomrörning och kemikalierna doseras i den. Slamvätskan pumpas in i botten av reaktorn och kemikalierna natriumhydroxid och magnesiumhydroxid tillsätts för att justera pH och för att fälla ut struvit. Kristallerna växer till sig och faller till botten av kolonnen därifrån de tas ut. Små struvitpartiklar matas in i reaktorn igen och fungerar som ympmaterial. Struvitgranuler med storleken 0,5-1,0 mm bildas med en

retentionstid på 10 dagar. Produkten avvattnas under 24 timmar antingen i ett filterpåssystem eller i omgivande temperatur. Produkten säljs till gödseltillverkare, som blandar den med andra produkter och tillsätter kalium för att få ett gödselmedel.⁵³

 Crystalactor

Metoden utvecklades på 1970-talet av DHV Water B.V. i Nederländerna. Processen tillämpades på 1980-talet för att göra dricksvatten mjukare genom att producera kalksten (CaCO3) och för tillvaratagande av fosfor vid rening av avloppsvatten. Före tillämpningarna vid vattenrening har processen bl.a. använts i kemisk industri för återvinning av zink, nickel och aluminium och i livsmedelsindustrin för återvinning av fosfat och ammonium.⁵⁴ Tekniken är en kristallisationsprocess för tillvaratagande av fosfor som kalciumfosfat (Ca3(PO4)2 från en koncentrerad sidoström.

Kristallisation av andra föreningar så som zinkfosfat eller struvit är möjligt genom att byta till andra kemikalier. Reaktorn består av en cylindrisk fluidiserad bädd, se figur 6, med ympmaterial (seed material) vilka kan vara sand eller mineraler. Reaktorn är relativt liten vilket gör att det går att eftermontera den till de flesta

avloppsvattenreningsverk.⁵⁵

53 Nieminen, J. 2010. Phosphorus Recovery and Recycling from Municipal Wastewater Sludge. Thesis, School of Science and Technology, Aalto University, sid 51-53

(14)

Figur 6. Crystalactor fluidiserad bädd reaktor.⁵⁶

Råvaran (feed material) är ett fosfatrikt flöde från en separationstank efter den biologiska behandlingen med en koncentration på 60-80 mg/l PO4-P.

Återvinningsgraden är 70-80 % av PO4-P. Inmatningen sker från bottnen och flödar uppåt med en hastighet på 40-100 m/h, vilket håller reaktorbädden i det fluidiserade stadiet. Reaktionen startar efter justering av pH med NaOH. Kalciumfosfat

kristalliserar på ytan av ympmaterialet och efter att granulerna växer till sig i storlek sjunker de till botten av reaktorn varifrån de tas bort en gång per dag. Endast en Crystalactor var i bruk år 2009 i Nederländerna.⁵⁷ Teknologin erbjuds i Nordamerika av Procorp Enterprises.⁵⁸

 Multiform Harvest™

Struvitfällning erbjuds i en rad av olika situationer såsom avloppsvattenrening, behandling av processvatten i livsmedelsindustrin samt gödselhantering i samband med svin- och nötproduktion.⁵⁹

Följande behandlingsmetoder använder adsorption:

 ProPhos

Fosfat från en vätska adsorberas på kalcium-silikat-hydrat i en reaktor.⁶⁰

 Recyphos

Fasta adsorptionsmoduler som byts ut med några månaders mellanrum.⁶¹

58 http://www.procorp.com/wastewater-products/pellet-reactor.html (läst 15.10.2014)

59 http://www.multiformharvest.com/ (läst 15.10.2014)

(15)

 Bioptech

Fasta adsorptionsmoduler i tank avsedd för några få fastigheter. Modulerna byts ut med något års mellanrum.⁶²

I följande metod används jonbyte:

 PHOSIEDI

I metoden utvinns fosforsyra genom jonbyte och elektrodialys.⁶³

3.2.3.2. Fosfor i rötat slam, utan utlakning

Hela blandningar av fast material och separerad vätska behandlas.

 AirPrex

Se detaljerad beskrivning ovan.

 FIX-Phos

Till rötkammaren sätts kalcium-silikat-hydrat som adsorbent och fosfor faller då ut som kalciumfosfat.⁶⁴

 NuReSys

Magnesiumklorid tillsätts reaktorn och struvit i form av pellets tas tillvara. Flera anläggningar i industriell skala finns, bl.a. inom potatis- och mejeribranschen.⁶⁵

3.2.3.3. Fosfor i rötat slam/biomassa, med utlakning

 Seaborne

Seaborne processen utvecklades av Seaborne Environmental Research Laboratory i Tyskland. Det första förverkligandet i full skala finns vid Gifhorn WWTP i

Tyskland.⁶⁶

Processen består av tre kemiska processteg så som syralakning, borttagande av tungmetaller och utfällning av struvit. I det första steget tillsätts svavelsyra och väteperoxid för utlakning av fosfor och tungmetaller. Efter centrifugering finns en vätskefas med fosfor och tungmetaller och en avfallsström med organiskt innehåll.

Det andra steget innebär utfällning av tungmetallerna från vätskan med hjälp av natriumsulfid. Slammet med tungmetallerna separeras från vätskan med fosfor i. I det tredje steget är fälls struvit ut genom tillsats av magnesiumhydroxid och

62Behandlingsmetoder för hållbar återvinning av fosfor ur avlopp och avfall, Slutrapport 2013-04-18, Tyréns Ab, sid 10

65 Levlin, E., Tjus, K., Fortkamp, U., Ek, M., Baresel, C., Ljung, E. Och Palm, O. 2014. Metoder för fosforåtervinning ur avloppsslam. IVL Rapport B2184, sid 26-31.

(16)

natriumhydroxid. Slutprodukten är ett amorft struvitslam. Anläggningen vid Gifthorn är inte igång i nuläget.⁶⁷

 Aqua Reci™

Efter att slammet destruerats genom s.k. superkritisk vattenoxidation, lakas fosfor ur restprodukten och fälls ut som kalciumfosfat.⁶⁸

 Krepro

Rötresten bryts ner med syra och värme. Vätskan avskiljs och fosforn fälls som järnfosfat.⁶⁹

3.2.3.4. Fosfor i slamaska, med utlakning

 Advanced SEPHOS

Fosfor och tungmetaller lakas med svavelsyra, sedan höjs pH så att aluminiumfosfat faller ut. Efter avvattning höjs pH så att aluminiumfosfat löses upp. Efter en

avvattning till fälls fosfor ut vätskefasen som kalciumfosfat.⁷⁰

 PASH

Fosfor och metaller lakas med saltsyra. Metaller separeras ur vätskefasen varefter fosfor fälls ut som kalciumfosfat.⁷¹

 Bioleaching

Oxiderande bakterier bildar syra som lakar ut fosfor och metaller ur askan. Andra bakterier tar upp fosforn men inte metallerna. Biomassan avskiljs och fosfor kan utvinnas. ⁷²

 Easy Mining

En flerstegsteknik omfattande lakning och separation. Den slutliga produkten är ammoniumfosfat.⁷³

3.2.3.5. Fosfor i slamaska, termisk behandling

 ASH DEC

Efter förbränning tillsätts kloridsalt och askan pelleteras. Därefter sker en upphettning

73Behandlingsmetoder för hållbar återvinning av fosfor ur avlopp och avfall, Slutrapport 2013-04-18, Tyréns

(17)

till ca 1000 °C varvid metaller avgår som klorider. Slutprodukten är fosforhaltifa pellets.⁷⁴

 Mephrec

Slammet blandas med koks och slaggbildande material. Förbränning vid 2000 °C varvid metallerna avgår. Fosforn finns kvar i förbränningsresten.⁷⁵

3.2.4. Sammanfattning

Enligt Nieminen⁷⁶ är de processer som visar bästa operativa prestanda AirPrex, Ostara

Pearl och Unitika Phosnix. Alla de här teknikerna återvinner fosfor som struvit från slam. I Crystalactor-processen där kalciumfosfat används för kristallisation har förekommit

svårigheter med genomförandet av processen och Seaborne-processen beskrivs som en ”stor pilotanläggning”.

Slutsatsen i detta delprojekt, baserad på anläggningsbesök och litteraturstudier, är att

teknikerna Pearl och AirPrex är de som på ett övertygande sätt har visat sin användbarhet i en praktisk skala. Den pilotanläggning som planeras vid Yrkeshögskolan Novia kommer att baseras på någon av dessa tekniker.

4. Utvärdering av fosfor och kväve i rötrest

I Finland fanns det år 2013 totalt 42 stycken rötningsanläggningar, varav 3 stycken i Österbotten⁷⁷ och i Sverige totalt 264 stycken, varav 6 stycken i Västerbotten,⁷⁸ där rötning av organiskt avfall utfördes. Som redan konstaterats innehåller rötrest höga halter fosfor, P och kväve, N. Dessa förekommer i olika former i rötresten, organiskt bundet och löst i vattnet. Ett av delmomenten i projektet var att undersöka i vilken form dessa vanligen förekommer vid i regionens rötningsanläggningar, samt försöka uppskatta mängder.

4.1. Beräkningar

I Österbotten finns Europas nästäldsta samrötningsanläggning för rötning av avfallsprodukter, Ab Stormossen Oy. Företaget grundades 1985 och 1990 kunde verksamheten inledas⁷⁹. Vid anläggningen, där man har två reaktorer, följer man månatligen upp innehåll av bl. a fosfor och kväve, i både den avvattnade rötresten, vilken man kallar ”humus” och i vattnet som avskilts från den. I rötreaktor ett rötade man 2013 främst slam från reningsverk, 15 241 ton från utomstående och 11 995 ton från egna, blandat med en del fett, 1 402 ton och limvatten,

77 Huttunen M.J., Kuittinen V. Suomen biokaasulaitosrekisteri n:o 17. University of Eastern Finland, ISBN:978- 952-61-1566-5, sid 32-43

78 von Bahr H. Produktion och användning av biogas och rötrester år 2013. Energimyndigheten, Statens

(18)

131 ton. I reaktor två rötades biologiskt avfall, 4 857 ton⁸⁰. Totalt emottog anläggningen 55 521 ton avfall. I tabell 1 presenteras översikt av mängder rötrest år 2013⁸¹. Vid utvärderingen av P och N i denna studie användes företaget som ett typexempel vid beräkningar.

Tabell 1. Total mängd rötrest, samt indelning i avvattnad fraktion, (humus) och vatten.

2013 BR1 BR2 Totalt Enhet

Rötrest 46306 31648 77954 m³

Rejektvatten - - 67037 m³

Humus 6747 988 7735 1ˑ10³ kg

Enligt de analyser som företaget gjorde år 2013 på rötresten innehöll humusfraktionen ca 33,56 g kväve per kilogram humus, för reaktor ett och ca 33,89 g per kilogram för reaktor två. Innehåll av fosfor var ca 30,20 g per kilogram för ettan och 10,59 g per kilogram för tvåan. Rejektvattnet innehöll i medeltal 793 mg kväve per liter och 60 mg fosfor per liter.

Utgående från dessa mätvärden beräknades rötrestens totala innehåll av kväve till 508,2 ton för år 2013 och innehåll av fosfor till 276,6 ton, se tabell 2.

Tabell 2. Redovisade mängder är totalhalter av näringsämnen.

2013 BR 1 BR2 Rejektv. Totalt Enhet Kväve^total 226,4 228,6 53,2 508,2 1ˑ10³ kg Fosfor^total 202,4 70,2 4,0 276,6 1ˑ10³ kg

År 2013 producerades det 1 228 544 Nm³ biogas vid Stormossens anläggning⁸². Undre värmevärdet för 1 Nm³ biogas är 6,5 kWh⁸³ och om man beräknar totala värmevärdet för den producerade gasen fås 7,99 GWh. Om man relaterar totala värmevärdet till totala mängden avfall fås ca 144 kWh per ton avfall. I Botniaregionen producerades det år 2013 totalt ca 160 GWh biogas⁸⁴. Beräknar man mängd avfall, enligt exemplet Stormossen, fås totalt ca

1 111 111 ton avfall i regionen.

80 Ab Stomossen Oy. Årsberättelse 2013, (läst 19.8.2014)

81 Saarela J. Sammanställning av näringsämnen, Ab Stormossen Oy (e-post konversation).

82 Ab Stomossen Oy. Årsberättelse 2013, (läst 19.8.2014)

83 Persson M. Biogas, Basdata om biogas 2006. Svenskt Gastekniskt Center. (läst 20.8.2014)

84 Saarela J. Petterson J. Gränsöverskridande färdplan för biogasutveckling i Botniaregionen. 2014. Biogas

(19)

Relaterat till värdena i tabell 2 fås att det finns ca 10 170 ton kväve och 5 535 ton fosfor i regionens rötrester. Halterna är beräknade enligt:

Avfall totalt = 160 GWh 0,000144 GWh/ton 𝐾𝑣ä𝑣𝑒 = 508,2

55 521ˑ 𝐴𝑣𝑓𝑎𝑙𝑙 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑡 𝐹𝑜𝑠𝑓𝑜𝑟 = 276,6

55 521ˑ 𝐴𝑣𝑓𝑎𝑙𝑙 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑡

4.2. Diskussion

Mängderna i denna utvärdering är ett resultat av en kedja av antaganden och kan enbart anses som riktgivande halter. Samrötningsanläggningar likt Stormossen är dock vanliga och slam från reningsverk är ofta den största råvaran vid rötning. Beräkningarna belyser att stora mängder näringsämnen finns tillgängliga i rötresten och går förlorade om de inte tillvaratas.

Största delen är i organiskt bunden form och återfinns i den avvattnade rötresten.

5. Kväveberikning av rötrest

I projektmålen ingick att utföra försök med tillsats av kväve till rötresten i form av

restprodukterna ammoniumsulfat från stålindustrin och ureafettsyraester från fiskindustrin.

Samarbete söktes med Etappi OY i Ilmajoki, som var positiva till sådana försök. Det visade sig dock att urea inte längre var tillgängligt på marknaden och då blev det inte möjligt att utföra de planerade försöken hos Etappi. Kontakt söktes då med IVAR IKS i Stavanger som har lång erfarenhet av torkning och pellettering av rötrest. Där kunde inte heller praktiska försök genomföras på grund av att en ny anläggning för gödseltillverkning var under uppförande. Vi fick dock tillgång till deras erfarenheter och resultat från den

försöksverksamhet som bedrivits där. Som en grund för fortsatt utveckling av rötrestbaserade gödselmedel med optimal näringssammansättning och andra önskvärda egenskaper, gjordes istället en kartläggning av metodik för torkning/pellettering/granulering av rötrest, samt metodik för kväveåtervinning och framställning av rötrestbaserad Bionäring med förhöjd kvävehalt. Sökningarna har varit omfattande och har gjorts via Internet och andra kanaler, liksom personliga kontakter och syftat till att beskriva och ge exempel på aktuell teknik, metodik och erfarenheter inom området för framställning av miljömässigt acceptabla organiska gödselmedel med hög kvävehalt.

6. Kvävets betydelse⁸⁵

Kväve är nödvändigt för allt liv. Det ingår i DNA och i alla gröna växters klorofyll. I atmosfären finns det som N2,men måste omformas till reaktiv form som t ex NO3 eller NH4

för att bli tillgängligt för levande organismer. I naturen sker det via kvävefixerande

organismer eller åskblixtar. Med hjälp av HaberBoschprocessen kan NH4 framställas av N2

(20)

och väte från fossil gas. Det är en energikrävande process. Av det nytillverkade kvävet som används som gödsel för livsmedelsproduktion, hamnar 15 % i de livsmedel som framställs, medan 85 % förloras till omgivningen. Av det nytillverkade kvävet som ingår i födan stannar bara 5 % i människokroppen, medan resten går ut i omgivningen. Det innebär att 99 % av det artificiellt framställda kvävet som används som gödselmedel, hamnar i naturen. De stora kväveförlusterna gör att behovet av kvävegödsel är stort och ökar. Energibehovet vid

framställning är 12 kWh/kg ammoniumkväve och utsläppen av växthusgaser motsvarande ca 2 kg CO2 ekv/kg kväve. Prognosen är att det syntetiskt framställda kvävet kommer att öka från ca 175 Tg/år 2000 till 275 Tg/år 2050 (figur 7)

En fortsatt “business as usual” kommer att ytterligare förändra/försämra den globala kvävebalansen, vilket bedömdes förorsaka skador på hälsa, miljö och klimat för ca 180 miljarder euro år 2000 inom EU, till följd av utsläpp av reaktivt kväve. Vid hanteringen av avloppsvatten och rötrest kan dessa utsläpp och konsekvenserna av dem motverkas, genom att reaktivt kväve i avloppen antingen omvandlas till N2 eller återanvänds. Det är därför viktigt ur miljösynpunkt att rollen för reningsverken ändras från en kvittblivningsverksamhet till en ”Resource Recovery Facility” av näring, energi och vatten.⁸⁶

Figur 7. Produktionen av reaktivt kväve från olika källor. Efter Nielsen (2005)⁸⁷

86Nutrient recovery. State of the knowledge, 2010. Water Environment Research Foundation. 44 p

87 Nielsen, R. 2005, 'Can We Feed the World? The nitrogen limit of food production',

(21)

7. Kväveåtervinning

Återvinning av kväve från rötrester eller avloppsslam kan göras med hjälp av:

 Stripping, med hjälp av luft eller ånga

 Adsorption via sorption eller jonutbyte

 Utfällning som struvit

Syftet med metoderna är att skapa gödselmedel, där en hög andel av det reaktiva kvävet återvinns och ersätter nytillverkad konstgödsel som gödselmedel.

De metoder som fått praktisk användning i samband med rötrest/avloppsslam är

struvitutfällning och ARP (Ammonia Recovery Process). Struvitutfällning beskrivs på annan plats i denna rapport. Med den kan 5-15 % av kvävet återvinnas. Ett önskemål vore att t ex struvitprocessen kunde utvecklas vidare för återvinning av en större del av framförallt kvävet.⁸⁸

Vissa mineral som t ex vermikulit ((MgFe,Al)3(Al,Si)4O10(OH)2·4H2O), kan binda

ammoniumkväve vilket har visats vid försök genomförda vid NOVIA i Finland. I ett försök odlades tallplantor i sand som blandats med ammoniumbehandlad vermikulit. Efter 4 månader var kvävehalten i barren 7 ggr högre i än i barr från plantor som odlats i samma substrat men med obehandlad vermikulit. Även plantornas vikt var 7 ggr högre, där ammoniumbehandlad vermikulit användes (figur 8⁸⁹).

Figur 8. Fyra månader gamla tallplantor, odlade i växthus i sand med inblandning av ammoniumbehandlad (vänster sida) och ej ammoniumbehandlad vermikulit (höger sida).

88 Jeyanayagam, S. 2011. Biosolids Management in the WWTP of the Future. OWEA Biosolids Conference.

89 Åkerback, N., Engblom, S. & Sahlén, K. (2009). Ammonium absorption in reject water using vermiculite.

(22)

7.1. ThermoEnergy*s Ammonia Recovery Process ^90,91,92

I processen behandlas oavvattnad rötrest, som först behandlas så att inte suspenderade partiklar eller kemiska utfällningar kan komma i kontakt med

ammoniumåtervinningsprocessen. Om ammoniumkoncentrationen i vätskan är hög, så vacuumstrippas ammoniak av. Resterande vätska med ammoniumhalt < 300 ppm passerar sedan en jonbytare, där ytterligare ammonium avskiljs. Jonbytesmedia regenereras med zinksulfat och svavelsyra och ammoniumkoncentrationen ökas på det sättet succesivt till flera tusen ppm och kristalliseras sedan som ammoniumsulfat, som sedan marknadsförs som gödselmedel (figur 9). På så sätt kan minst 80 % av kvävet återvinnas som gödselmedel.

Figur 9. Anläggning för ThermoEnergy*s Ammonia Recovery Process 8. Organiskt förbättrade granulerade gödselmedel^93,94

Gödselmedel som innehåller organiskt material har egenskaper som kan vara fördelaktiga.

Funktionen av det organiska materialet i oorganiska gödselmedel är att:

• tillföra plantorna näringsämnen långsamt

• tillföra markens mikroorganismer näringsämnen

• minska den gasformiga kväveavgången

• minska kväveläckaget

• öka grödans motståndskraft mot uttorkning

• påverka markens fysikalisk-kemiska egenskaper positivt

90Orentlicher, M. Grey, G. Savings from Integration of Centrate Ammonia Reduction with BNR Operation:

Simulation of Plant Operation. ThermoEnergy Corporation Presentation.

91 http://www.thermoenergy.com/wastewater-recovery/applications/ammonia-removal-recovery

92http://web2.uconn.edu/seagrantnybight/documents/nutrient%20docs/Orentlicher%20Savings%20In tegration%20Centrate%20Ammonia%20Reduction.pdf

93Burnham, J.C. 2008. Value-Added Fertilizer Products from Municipal Biosolids. Presented at North East Biosolids & Residuals Association Fall Meeting November 12, 2008

94

(23)

Den kombinerade effekten av dessa organiska effekter resulterar i en ökad växtproduktion⁹⁵⁹⁶ Organiska gödselmedel med höjd kvävehalt kan tillverkas på olika sätt. Det enklaste är att blanda in oorganiska kväveföreningar i rötresten. Det kan vara urea, ammoniumsulfat eller ammoniumnitrat. Inblandningen kan göras före eller efter torkning. Inblandning efter torkning kan vara att föredra, eftersom det då är lättare att skapa en gödselprodukt med homogen sammansättning.

Försök i praktisk skala vid Himmersfjärdsverket i Stockholm med inblandning av kväve i form av urea-fettsyraester, en restprodukt från fiskindustrin i avvattnad rötrest, har visat att:

 Torkning vid 100 grader resulterar inte i nämnvärd kväveförlust från den kväveberikade rötresten.

 Det är svårt att skapa en homogen ureainblandning i avvattnad rötrest med ts-halt ca 30 %

 Kväveberikad, torkad och granulerad rötrest kan traktorspridas och även lagras i minst ett år utan att ts-halt och kvävehalten minskar.

 Framställningen av homogena granuler kräver att blandingen görs med rötrest med så hög ts-halt att den inte klibbar utan kan finfördelas i pulverform.⁹⁷

8.1. Framställning av organiskt gödselmedel i Stavanger

På centralreningsverket i Nord Jären utanför Stavanger, ett av de största i Norge, bygger IVAR IKS efter flera års tester, upp en anläggning för tillverkning av gödselmedel med rötrest från rötning av avloppsslam som råvara. Fabriken är designad för en produktion av upp till 20 000 ton per år. Anläggningen beräknas vara i gång så att gödselprodukterna ska kunna lanseras kommersiellt på marknaden 2015 av ett separat bolag, Minorga Vekst AS.

Målsättningen är att producera 2000 ton innan mars/april 2015. Gödselprodukten har marknadsnamnet Minorga ® och består av både mineralnäringsämnen och organiska näringsämnen. Gödselprodukten har en form, storlek och sammansättning som liknar mineralgödsel.

Råvaran för tillverkningen är rötrest efter rötning av avloppsslam. Ca 3500 ton ts rötrest produceras årligen. Slambehandlingsanläggningen består av två delar (Figur 10):

- en del där slammet avvattnas, torkas och pelleteras. Torkning och pelletering har pågått sedan närmare 20 år tillbaka.

- en nybyggd gödselfabrik där det torkade slammet berikas med näringsämnen som blandas i och därefter pelletteras och packas i storsäckar.

95 Burnham, J,C. and G.L. Dahms. 2003. Municipal Wastewater To Real Fertilizer: The Unity Fertilizer Solution. Presented at the Fertilizer Industry Roundtable on October 29, 2003, Winston-Salem, NC.

96 Burnham, J.C. and B. R. Jarrett. 2004. The Effect of Organically-Enhanced Inorganic Fertilizer On Commodity Crop Production. Water Environment Federation Biosolids and Animal Residuals Conference held in Chicago, IL on June 30, 2004.

97 Sahlén, K., Söderström, M., Mård, T. 2011. Kväveberikning och skogsgödsling med torkat granulerat

(24)

Figur 10. Schema över torkprocessen

Figur 11. Gödselfabriken till vänster och utrustningen för gödseldosering till höger.

Under torkprocessen torkas det avvattnade slammet (ts-halt ca 32 %) i en indirekt roterande skivtork vid 101-105 grader till 85 % ts-halt, som är det optimala för en bra pellettering av det torkade slammet. Det torkade slammet transporteras till en lagersilo på 50 m³ i

gödselfabriken, varifrån det sedan doseras till en mixer. Där blandas det med tillsatta näringsämnen, som transporteras från en särskild utrustning, där önskad mängd av tre olika näringsämnen kan doseras samtidigt. Därefter sker pelletering, kylning, sållning till önskad kornstorlek och slutligen fyllning i 600 kg storsäckar, för leverans till kund (figur 12).

Figur 12. Färdiga gödselpellets och förpackade i storsäckar.

(25)

8.1.1. Gödselegenskaper

Vid gödseltillverkningen tillsätts framförallt kväve i form av urea och kalium som KCl. Även fosfor kan tillsättas i form av benmjöl. Andelen organiskt material är 40-45 %. Minorga Innehåller även 0,5 % S, 0,2 % Mg och B, Mn, Cu, Zn. Volymvikten är 650 kg/m³, kornstorleken 2-4 mm och ts-halten ca 85 %.

De NPK-gödselmedel som nu marknadsförs är Minorga 10-1-5, 10-2-5, 5-1-9, och 12-1-0 som alla är framtagna för gödsling av korn. Utveckling pågår av gödselmedel anpassade till andra växter.

8.1.2. Gödslingseffekter

Omfattande testverksamhet av gödselegenskaperna har genomförts sedan 4 år. Resultaten har visat att Minorga har gett god effekt för korn på grund av det höga kväveinnehållet och innehållet av organiskt material. En lagom dos av Minorga ger ett årligt fosfortillskott på 10 - 20 kg/ha eller mindre. Minorga kan ha miljöfördelar jämfört med mineralgödsel. Den

mineralorganiska gödseln löses succesivt upp och blir växttillgängligt allteftersom växterna behöver näring, Därigenom minskar behovet av kompletteringsgödsling och risken för utlakning

8.1.3. Försöksresultat

Gödsling med Minorga har på vete gett högre kvävehalt och proteinhalt i bladen är för samma kvävemängd i mineralform. På korn har Minorga gett minst lika hög produktion som mineralgödsel. Minorga kan spridas med samma centrifugalspridare som konstgödsel

Gödslingsförsök med pelletter från verket har också utförts på skogsmark med mycket goda resultat (figur 13).

Figur 13. 16-årig granskog utan gödsling (ovan) och gödslad med slampellets från IVAR (till höger).

(26)

8.1.4. Fortsatt verksamhet

Utvecklingen av gödselmedel fortsätter med bl a gödsel för ris och oljeväxter, och gödsel anpassad efter växternas behov. I Norge skall det årligen anläggas 600 ha s.k. klimatskogar i Rogaland. I det arbetet medverkar även IVAR. Intresset att testa de framtagna gödselmedlen är stort. 90 % av dem som producerar korn är positiva till att använda Minorga på sina åkrar.

8.2. VitAG fertilizer

VitAG Fertilizer tillverkas med hjälp av VitAG Ammonium Mix Fertilizer Process, som omvandlar en avvattnad rötrest till ett lätt marknadsfört specialgödselmedel.⁹⁸ VitAG Fertilizer har lika högt näringsvärde som högklassiga konventionella gödselmedel på marknaden plus ytterligare nästan 20 % organiskt material. Resultatet är en produkt med naturligt långsam upplösning, vilket efterfrågas av tillverkare och distributörer för

användning som gödselmedel eller som en komponent i kundanpassade gödselblandningar.

VitAG Fertilizer passar för användning för produktion av livsmedel och bioenergigrödor.

Ammonium Mix Fertilizer Process består av följande steg beskrivna i figur 14:

Råvaran är avvattnad rötrest med 18-30 % ts-halt. Vid konditioneringen omvandlas det till ett krämliknande material i en blandare, samtidigt som gasformiga ämnen avskiljs. Ammonium och fosfor- och svavelsyra tillsätts viket resulterar i hydrolys av bl a proteiner till aminosyror.

De organiska ämnena binds till de oorganiska salterna och bildar kemiska komplex, som efter tillsats av andra näringsämnen och bindämnen resulterar i mycket hårda och

motståndskraftiga gödselgranuler med mer än 98 % ts-halt.

Figur 14. Flödesschema för VitAG:s Ammonium Mix Process och färdigt gödselmedel.

(27)

Det framställda gödselmedlet har följande egenskaper:

The UNITY Process ⁹⁹

Unified Environmental Services Group LLC I Florida har utvecklat “The Unity process” som innebär att den avvattnade rötresten med ts-halt på 20-30 % inte torkas som vanligtvis görs vid gödselframställning. Istället späds den ut så att den blir flytande och pumpbar. Denna

”slurry” används sedan för kylning av den senare kemiska reaktionen mellan konc svavelsyra och ammoniumhydroxid i Pipe Cross Reactor. Processen beskrivs schematiskt i figur 15.

Figur 15. The UNITY process

Den kritiska kemiska reaktionen vid framställningen av Unity gödselprodukten sker i Pipe Cross Reaktorn. Direkt efter att reaktionsvätskan lämnar reaktorn torkas materialet genom Unity processen med hjälp av en kombination av kemisk värmeenergi och förbränning så att vattnet avlägsnas från gödseln. Denna process resulterar i en hård gödselgranul med mindre än 2 % vatten. Reaktorns arbetstemperatur är 132 grader C vid pH 1 och normalt lufttryck.

Under dessa förhållanden sker flera viktiga processer som påverkar egenskaperna hos den färdiga Unity gödselprodukten;

99 Jeffrey C. Burnham, Ph.D. ,Gary L. Dahms Unified Environmental Services Group LLC Municipal Wastewater To Real Fertilizer: The Unity Fertilizer Solution

Näringssammansättning:16-2-0-16-1-16 (N-P-K-S-Fe-Organiskt)

 Hårda granuler

 Ts-halt > 99 %

 Underskrider USEPA Class A krav och liknande standarder.

 Kan spridas med standardutrustning som redan finns i jordbruket

 Ett näringsbalanserat specialgödselmedel

(28)

a) oorganiska salter bildas vid reaktionen mellan svavelsyra och ammoniumhydroxid b) mikrobiell sterilitet uppnås och därför uppfyller Unity gödsel tid/temperatur kraven i US EPA 40CFR Part 503 regel för Class A ”biosolids process and product”;

c) många av de organiska makromolekylerna i slammet, som t ex proteiner, hydrolyseras.

d) dessa organiska ämnen binds till det oorganiska salt som bildats i reaktorn och bildar komplex som motverkar avgång av gaser och som bromsar nedträngningshastigheten i marken.

En styrka med denna teknik är att en del av utrustnigen är densamma som i traditionella anläggningar för framställning av granulerad rötrest liksom i anläggningar för framställning av ammoniumsulfat. Granuleringsprocessen är robust och etablerad sedan mer än 50 år.

Viktprocenten av oorganiska näringsämnen är 17-1-0-19 för N-P-K-S. Dessutom ingår 2 % järn och även andra mikronäringsämnen som Mn och Zn. Andelen organiskt material är 15

%. Kvävehalten är högre än i något annat rötrestbaserat gödselmedel, vilket även innebär att gödslingseffekten och det ekonomiska värdet blir högt. Det utvecklade organiska

gödselmedlet har gett positiva produktionsresultat i jämförelse med traditionellt använda kvävegödselmedel som ammoniumsulfat, ammoniumnitrat och urea för bl a bomull, ris, morötter, vete och citroner.

9. Torkning av rötrest för framställning av gödselmedel¹⁰⁰

Torkning är ett sätt att skapa ett användbart gödselmedel av rötrester från biogasanläggningar där avloppsslam rötas. Det har tillämpats sedan 20-talet för framställning av torrt säljbart gödselmedel. År 2012 fanns ca 60 sådana anläggningar i USA och 100 i Europa. Vid torkningen avlägsnas vatten och både vikt och volym av rötresten reduceras och en produkt med ts-halt över 90 % erhålls vanligen. Innehållet av näringsämnen förändras inte nämnvärt under torkningen, men halten av ammoniumkväve kan minska något. Vid de temperaturer som uppnås under torkningen avdödas eventuella smittämnen enligt de föreskrifter som finns.

Beroende på torkmetod och utrustning varierar slutproduktens egenskaper.

9.1. Torkprocessen och teknik

Utrustning för torkning kan indelas i två huvudtyper, direkta och indirekta torkar. I direkta torkar kommer het luft eller gas i direkt kontakt med det våta materialet som värms upp och vattnet avdunstar och förs bort. Den typen domineras av roterande trumtorkar och bandtorkar (figur 16).

100Sieger, R., Brady, P. 2014. Drying of Wastewater Solids. Water Environment Federation Residuals and Biosolids Committee Bioenergy Technology Subcommittee. Fact sheet.

(29)

Figur 16. Principschema för direkt trumtork

I trumtorkar blåses het förbränningsgas genom trumman. Materialet torkar under färden genom trumman och transporteras sedan till lager. En annan typ av direkt tork är bandtorkar.

Där har man vanligen lägre temperatur och det avvattnade slammet transporteras på ett långsamt gående band och exponeras för den varma luften. Både direkta trumtorkar och bandtorkar kan variera en del i uppbyggnad och funktion.

I indirekta torkar kommer inte det heta värmemediet (ånga, hetvatten eller olja) i kontakt med slammet. Istället värms metallytorna i torken upp som sedan värmer och torkar det våta slammet. Indirekt torkutrustning är ofta skoveltorkar av olika konstruktion, (figur 17).

(30)

Figur 17. Principschema för indirekt tork

Slutprodukten kan vara av olika beskaffenhet, såsom flingor, osorterat, granulerat eller pelletterat, beroende på utrustning och slutproduktens användning. Den kan användas som jordförbättringsmedel, gödsel eller basmaterial för gödseltillverkning. I många fall kan tillverkaren få betalning, som täcker en del av framställningskostnaden. I USA är priset högst 40$ per ton. Flera faktorer avgör värdet på slutprodukten:

Näringsinnehållet: Kvävehalten är viktigast och kan variera mellan 2 och 6 %. Ju högre, desto högre pris. Organiskt kväve föredras pga långsam frigörelse. Innehållet av fosfor (1- 4%) och kalium (0,1-0,5 %) är av värde men har mindre betydelse för priset.

Lukten: Rötat slam ger en mindre illaluktande produkt.

Hållfasthet och damning: Dammproblemet är mindre med rötrest.

Det är flera fördelar med torkning av slam/rötrest:

 Uppfyller myndigheternas hygieniseringskrav

 Beprövad teknik

 Tar bort lukt

 Större marknad

 Lätt att hantera, lagra, sprida

 Minskad vikt och volym

 Ger intäkt

 Återför näring