Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Fosforåtervinning ur förbränningsaska från rötslam och rötrest
KTH, School of Chemical Science and Engineering (CHE).
2015 (Swedish)Independent thesis Basic level (professional degree), 10 credits / 15 HE creditsStudent thesisAlternative title
Phosphorus recycling from digested sewage sludge ash and digestate ash from municipal food waste (English)
Abstract [sv]

Fosfor är ett ändligt näringsämne som på senare tid uppmärksammats i samband med övergödning och bristen som råvara. Näringsämnet är livsviktigt för likväl människor som djur och växter och de brytbara fosforreserverna börjar ta slut. Det gäller att i framtiden applicera hållbara fosforåtervinningsmetoder för att ta tillvara på mängden fosfor som finns i omlopp. Avloppsslam är ett avfall som växer till storleken och med befolkningsmängden. Rötat avloppsslam tillsammans med andra avfall i form av rötrester innehåller nyttiga näringsämnen så som fosfor, kväve och kalium men också onyttiga spårämnen, patogena ämnen, organiska rester och tungmetaller. Rötslam innehåller även läkemedelsrester och mikroplaster.

I dagens läge är det tillåtet att sprida rötslam och rötrest på åkermark för att återföra fosfor tillsammans med andra näringsämnen till jordbruket. Kommande regelverk innebär skärpta lagkrav på rötslammet som måste genomgå någon form av förbehandling innan innehållet får användas som en resurs. Ett alternativ är att vidta strängare krav på hygienisering utav slammet. Det kan ske med pastörisering, termofil rötning eller annan behandling vid högre temperaturer. Ett annat, mer lovande alternativ är förbränning av rötslam och rötrest. Vid förbränning destrueras en stor mängd av oönskade ämnen så som läkemedelsrester, patogena ämnen och kvarblivet organiskt material. Beroende på i vilken panntyp förbränning sker, CFB-, BFB-panna eller rosterpanna kvarblir en askfraktion som botten- och flygaska. I askfraktionerna finns fosfor och till stora delar tungmetaller kvar. Fosforn är relativt inert vid temperaturförändringarna medan lättflyktiga tungmetaller evaporerar och ansamlas till störst del i flygaskan.

Rapporten utvärderar ett antal olika fosforåtervinningsmetoder som kan indelas i två huvudkategorier, termo- och våtkemiska återvinningsmetoder. Syftet är att beskriva de olika metoder samt uppskatta dess kostnader, kommersiell mognad samt ange för- respektive nackdelar för metoderna ur ett hållbart perspektiv. Till de termokemiska metoderna tillhör termisk behandling av avloppsslam i en BFB-panna och ASH DEC-processen. Den förra är under utveckling och befinner sig på labb/bänk-skala. Den termokemiska behandlingsmetoden i BFB-panna är en dekontamineringsprocess där askan kan spridas direkt på åkermark då fosforn befinner sig i form av växttillgängligt whitlockit i bottenaskan. Systemet beräknas ha en investeringskostnad på 72 Mkr, med en pay-back tid på 4,4 år och kapacitet på minst 1000 ton aska/år. ASH DEC-processen är också en termokemisk dekontamineringsprocess där produkten utvinns i form av natriumkalciumfosfater. Metoden uppskattas ha en investeringskostnad på 140-170 Mkr, återbetalningstid på ca 4 år för en kapacitet på ca 30 000 ton aska/år. I investeringskostnaden ingår en roterugn Processen är kommersiell och anläggningar finns i Tyskland och Österrike.

De våtkemiska fosforåtervinningsmetoderna innefattar CleanMAP-technology, PASH-Processen, SEPHOS-processen, SESAL-phos processen och BioCon-Processen. Gemensamt för dessa processer är att olika laknings- och upplösningstekniker används samt att ett processvatten bildas och måste genomgå vattenrening. CleanMAP-technology är en lovande våtkemisk process under utveckling. Pågående förprojektering ska innefatta en anläggning med kapacitet upp till 30 000 ton aska/år, vilket motsvarar ett omhändertagande på ca 30 % av Sveriges idag producerade avloppsslam. CleanMAP ger en klassificerad produkt i form av 100 % rent ammoniumfosfat som kan användas direkt som gödningsmedel och är vattenlösligt. Processen anses enligt EasyMining Sweden AB vara energieffektiv med låga driftkostnader, god tungmetall reduktion och enkel att implementera i enbefintlig anläggning. Tekniken är under utveckling och eftersom ingen anläggning byggts finns inga investerings- eller driftskostnader publicerade.

PASH-processen är en lakningsmetod som bildar kalciumfosfat som slutgiltig produkt. Processen ger en reduktion av tungmetaller och andra metaller, specifikt aluminium. Processen är därför lämplig att använda på avloppsslam där reningsverk använt aluminium som fällningskemikalie. PASH-processen beräknas ha en investeringskostnad på ca 46 Mkr, driftkostnad på 37 Mkr vid en kapacitet på 30 000 ton aska/år och en fosforåtervinning på ca 1 700 ton/år.

SEPHOS-processen använder syra och bas för upplösnings av aska. Fosfor återvinns som aluminiumfosfat som sedan genomgår ett mer avancerat steg (Advanced SEPHOS-process), i syfte att slutligen erhålla kalciumfosfater som är mer växttillgängligt då aluminium kan orsaka skada på växternas rötter.SEPHOS-processen är under utveckling och det finns inga investerings- eller driftkostnader att tillgå.

SESAL-Phos processen är en flerstegsprocess med upplösning av aska med syra och bas för att bilda växttillgängligt kalciumfosfat som produkt. Processen är under utveckling och information om investerings- och driftkostnader finns inte att tillgå.

BioCon-Processen är baserad på en jonbytesteknik för att separera oönskade metaller och oorganiska element för att erhålla fosforsyra. Processen är omfattande och kräver en mängd olika tillsatskemikalier. Processen används i Danmark vid en förbränningsanläggning och implementerades i Sverige under tidigt 2000-tal men anläggningen har lagts ned vid på grund av driftproblem.

De metoderna som är mest lovande för Fortum Värme att vidare granska, sett till de för och nackdelar som erhållits, är CleanMAP-technology, ASH DEC-processen och termisk behandling i BFB-panna. CleanMAP-teknologin innefattar driftkostnader i form av hög kemikalieförbrukning, och kräver mindre anläggningsyta än ASH DEC-processen. ASH DEC-processen är kommersialiserad i Tyskland och Österrike och har drifterfarenhet av anläggningen, vilket är en god anledning till implementering i Sverige. Termisk behandling i BFB-panna har potential att fungera både praktiskt och ekonomiskt. Trots att denna process är långt ifrån kommersiell, kan den i framtiden vara en god kandidat att implementera för fosforåtervinning.

Kvaliteten på erhållet rötslam och rötrest bör ha en låg ask- och fukthalt vilket ger en bättre förbränning. Biobränsle har en låg askhalt men hög fukthalt. Samförbränning av rötslam och rötrest tillsammans med biobränsle är att föredra rent ekonomiskt eftersom investering i en mono-förbränningsanläggning enbart för slam kan undvikas. En nackdel är dock att koncentrationen av fosfor i askan blir lägre och kostnaden för fosforåtervinning ökar. Fukthalten på biobränslet bör vara så lågt som möjligt, dels för att uppnå en tillräcklig koncentration av fosfor, dels för att erhålla ett rimligt värmevärde på bränsleblandningen vid förbränning.

Huruvida förbränning av rötslam eller strängare krav på hygienisering av avloppsslam är ett tillvägagångssätt för behandling är i dagens läge en pågående diskussion. I ett initialt skede är ett alternativ att förbränna mindre mängder av rötslammet i de fall tungmetallhalterna, särskilt kadmium, är för höga för att spridas på åkermark.

Ur ett hållbart perspektiv är det lämpligt att se förbränning och efterföljande fosforutvinning ur aska som ett gott alternativ till behandling av ett, till mängden, växande avfall. Både den sociala- ochmiljömässiga aspekten behandlas då avfallsvolymer reduceras, läkemedelsrester, smittoämnen och andra patogena ämnen destrueras samtidigt som tungmetaller reduceras och fosfor återvinns. Ur ett ekonomiskt perspektiv är kostnaderna för att återvinna fosfor i dagsläget för höga i jämförelse med vad det kostar att bryta råfosfater. Det kostar ca 28-38kr/kg för framtagning av återvunnen fosfor, beroende på vilken metod som används. Försäljningspriset för fosfor är ca 3 kr/kg.

Tillsvidare gäller det att utveckla och effektivisera fosforåtervinningsmetoderna så att driftproblem kan minimeras samt investerings- och driftkostnader kan reduceras vilket medför större attraktion för företag att investera i återvinningsmetoderna.

Abstract [en]

Phosphorus is an endless nutrient that lately has been drawing much attention in correlation to over-fertilization and as a scarce commodity. Phosphorus is essential to all life, humans, animals and plants and the workable phosphorus back-ups seems to be running out. It is therefore important in the future to apply sustainable phosphorus recovery methods to take care of the circulation of phosphorus in today’s society. Sewage sludge is a waste that grows with the increase of population. Digested sewage sludge among other wastes such as digested municipal food waste contain beneficial nutrients such as phosphorus, nitrogen and potassium but also unhealthy trace elements, pathogenies, heavy metals and unwanted organic material. Sewage sludge also contain drug residues and micro plastic fibers.

As of today it is allowed to spread sewage sludge and digested municipal food waste on farm land to return phosphorus together with other nutrients. Future set of regulations will probably be subtilized which will influence the usage of sewage sludge spreading on farm land. The sewage sludge will most likely have to go through some kind of pretreatment before being used as a resource. An alternative is to institute harder demands on hygenization which can be performed by pasteurization, thermophilic digestion or other treatments involving an increase in temperature to get rid of harmful substances. Another alternative that seems more promising is combustion of sewage sludge and digested municipal food waste, which will destroy unwanted substances such as drug residues, pathogenies, and left-over organic material. Depending in which type of pan the combustion will take place, CFB- (Circulated fluidized bed), BFB- (Bubbling fluidized bed) or grate boiler it will leave different amount of bottom ash and fly ash. Phosphorus and larger amount of heavy metals will be concentrated in the ash. Phosphorus is inert to the temperature changes and finds itself contained in the bottom ash, meanwhile heavy metals evaporate and stack up in the fly ash.

This report evaluate different kinds of phosphorus recovering methods that can be divided in to main categories, thermo chemical and wet chemical recovery methods. The main purpose is to describe the methods, estimate its cost, find out if the method is ready for commercial use and specify the advantages and disadvantages. Thermo chemical treatment of sewage sludge ash in a BFB and the ASH DEC-process is two thermo chemical treatment methods this report brings up. The first mentioned is under development and its main purpose is to decontaminate the ash and use phosphorus rich whitlockite ash as a fertilizer. The system has an evaluated investment cost of 72 MSEK, with a pay-back time of 4,4 years and a capacity of at least 1000 ton ash/year. The ASH DEC-process is also a decontaminating process where the product is reclaimed as sodium calcium phosphates. The method estimated investment cost is around 140-170 MSEK with a pay-back time of 4 years and a capacity of 30 000 ton ash/year. The ASH DEC-process is currently in use in Germany and Austria.

Among the wet chemical phosphorus recovery methods presented in this report is, CleanMAP-technology, PASH-Process, SEPHOS-Process, SESAL-Phos process and the BioCon-process. In common for these process is the different leaching and dissolution techniques and the origin of a process water that has to be cleaned before released. CleanMAP-Technology from EasyMining Sweden AB is much promising currently under development. The layout design will encapsulate a capacity of 30 000 ton ash/year, which correspond to the apprehending of nearly 30 % of the produced sewage sludge in Sweden today. CleanMAP-technology gives a water soluble product, ammonium phosphate, with nearly 100 % purity and can be used directly on farm lands. The process is energyefficient with low operating costs and a propitious heavy metal reduction. The technique is under development with no demonstration and no public data of investment costs or operating costs available.

The PASH-process is an acid leaching method and form calcium phosphate as final product. The process gives a reduction of heavy metals and other metals, aluminum in specific. The process is therefore most appropriate to use on sewage sludge from water treatment plants that uses aluminum as a precipitate chemical. The investment cost is estimated to around 46 MSEK with an operating cost of 37 MSEK and a capacity of 30 000 ton ash/year and a phosphorus recovery of 1 700 ton/year.

The SEPHOS-process uses acid and base for the dissolution of ash. Phosphorus is recovered as aluminum phosphate that ultimately is passed through a more advanced step called “advanced SEHPOS-process” in purpose to obtain calcium phosphates which are more suitable for plants because aluminum can cause damaged to the roots. The SEPHOS-process is currently under development and there are no public released data on investment costs or operating costs.

The SESAL-Phos process is a multi-stage process with dissolution of ash with acid and base to obtain calcium phosphate as final product. The process is currently under development.

The BioCon-process is based on ion exchange technology to be able to separate unwanted metals and inorganic elements. The obtain product is mainly phosphorus acid. The process is comprised and has a large variety of chemical demand. The process is used in Denmark and was implemented in Sweden in early 21th century but had to close down due to operating problems.

Phosphorus recovery methods that seems most promising for Fortum Värme, accordingly to the advantages and disadvantages is CleanMAP-technology, ASH DEC-process and in the future thermo chemical treatment of sewage sludge ash in a BFB-boiler. CleanMAP-technology can implicate high operating costs due to the addition of chemicals, but they will be part of the products and the facility will be smaller than the ASH DEC-process. The ASH DEC-process is a commercial process in use in both Germany and Austria and has knowledge of operating which will be one of the reasons to consider implementation in Sweden. Thermo chemical treatment in a BFB-boiler has potential both practical and economical to be considered for implementation in the future even though it’s far from a commercial use.

The quality of digested sewage sludge and digested municipal food waste should have a low ash- and moisture content. Bio fuel contain low ash content but high moisture content. Co-combustion of digested sewage sludge and municipal food waste along with bio fuel is to prefer in an economically point of view because no further investment in a mono-combustion plant is needed for the sludge only. One disadvantage is that the concentration of phosphorus in the ash will be lower and the cost of phosphorus recovery will increase. An appropriate moisture content of the bio fuel should be as low as possible to obtain higher phosphorus concentration in the ash and to get a tolerable heat value in the fuel mix during combustion.

Whether combustion of digested sewage or more severe demands on hygenization of sewage sludge is the wanted procedure for treatment is today an ongoing discussion. Initially, one alternative is toburn small amounts of digested sewage sludge in those cases heavy metal content is too high to be spread on farm lands, especially cadmium.

In a sustainable perspective it would be appropriate to see combustion followed by phosphorus recovery methods from ash as a good option of treatment. Both the social- and environmental aspect is attended when the volume of waste is decreased, drug residues destroyed, infectious agents and other pathogenic substances destroyed meanwhile heavy metals is concentrated and gathered for safe depositing. In an economical point of view it is confirmed that the costs to recover phosphorus is today too high in comparison to workable resources. Today the cost of recovered phosphorus is around 28-38 SEK/kg, depending on which method used and the selling price is around 3 SEK/kg, which makes it non profitable.

For the time being the phosphorus recovery methods need further attention to be able to develop and expand upon. The need is also to make them more effective and to learn how to encounter operating failures and minimize the investment- and operating costs. If so, the recovery methods will bring more attention to companies and make them more interested in investment.

Place, publisher, year, edition, pages
2015.
Keyword [sv]
Fosforåtervinning, rötslam, rötrest, avloppsslam, tungmetaller, våtkemisk, termokemisk, kadmium, jordbruk, regelverk, ASH DEC-, CleanMAP-, PASH-, SEPHOS-, SESAL-Phos-, BioCon-processen
National Category
Chemical Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-170121OAI: oai:DiVA.org:kth-170121DiVA: diva2:827343
Educational program
Bachelor of Science in Engineering - Chemical Engineering
Available from: 2015-06-26 Created: 2015-06-26 Last updated: 2015-06-26Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(1973 kB)562 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 1973 kBChecksum SHA-512
b990484936a8c51ef4d594d32ad2d4d434d8d574bbe43c7a5c2c670eb5ec74d2d60f1a33a9f3075e169140194a22f0391cb3ecfc116a7eb197e7dbd6405f05a3
Type fulltextMimetype application/pdf

By organisation
School of Chemical Science and Engineering (CHE)
Chemical Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 562 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 481 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf