Ανάκτηση Φωσφόρου – Ένα Ταξίδι από τη Λυματολάσπη στον Γιοχάνες Βερμέερ

Τι αφορά την ανάκτηση φωσφόρου;

Ο φώσφορος ως θρεπτικό συστατικό – σημασία για την κοινωνία μας

Ο φώσφορος είναι ένα χημικό στοιχείο. Περιέχεται σε μόρια που είναι ζωτικής σημασίας για όλους τους ζωντανούς οργανισμούς όπως το ATP (ενεργειακό νόμισμα) ή το DNA (αναπαραγωγή). Γι' αυτό ο φώσφορος είναι απαραίτητο συστατικό των λιπασμάτων. Χωρίς φώσφορο σημαίνει ότι δεν υπάρχει τροφή.

Ο φώσφορος που χρησιμοποιούμε σήμερα στην κοινωνία μας προέρχεται κυρίως από πεπερασμένους πόρους φωσφόρου που είναι συγκεντρωμένοι σε λίγες χώρες. Η εξόρυξη και η επεξεργασία του πετρώματος προκαλούν περιβαλλοντική ζημιά. Περίπου το 80-90% του συνόλου του φωσφόρου που χρησιμοποιούμε σήμερα, χρησιμοποιείται για την παραγωγή λιπασμάτων. Μόλις απλωθεί στα χωράφια, ο φώσφορος προσλαμβάνεται από τις καλλιέργειες και καταλήγει, με τον έναν ή τον άλλον τρόπο, στο φαγητό μας. Στην τουαλέτα, εκκρίνουμε το φώσφορο.

Ο φώσφορος ως ρύπος – απομάκρυνση σε μονάδες επεξεργασίας λυμάτων

Τέλος, ο φώσφορος καταλήγει σε μονάδες επεξεργασίας λυμάτων. Εάν ο φώσφορος έβρισκε το δρόμο του προς τα επιφανειακά ύδατα (υποδοχής λυμάτων), θα λειτουργούσε ως υδάτινο λίπασμα. Θα πολλαπλασιάσει την ανάπτυξη φυκιών, συχνά τοξικών. Για να αποφευχθούν οι προκύπτουσες οικολογικές και οικονομικές ζημιές, αφαιρείται ο φώσφορος από τα λύματα στη μονάδα επεξεργασίας. Η πιο δημοφιλής πρακτική είναι η προσθήκη αλάτων σιδήρου στα λύματα. Μόλις προστεθεί, ο σίδηρος δεσμεύει τον φώσφορο. Ο σχηματιζόμενος φωσφορικός σίδηρος είναι αδιάλυτος. Συλλέγεται στον πυθμένα των δεξαμενών όπου σχηματίζει, μαζί με κάποια οργανική ύλη, λυματολάσπη. Ο φώσφορος αφαιρείται από τα λύματα.

Σε ένα επόμενο βήμα, η ιλύς λυμάτων μεταφέρεται σε έναν χωνευτήρα. Εδώ οι μικροοργανισμοί μετατρέπουν το οργανικό υλικό σε βιοαέριο. Το βιοαέριο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για παραγωγή θερμότητας και ηλεκτρικής ενέργειας. Οι συνθήκες στον χωνευτήρα είναι διαφορετικές σε σύγκριση με άλλα μέρη της μονάδας επεξεργασίας λυμάτων. Οι χημικές, βιολογικές και φυσικές συνθήκες είναι σταθερές. Δεν υπάρχει οξυγόνο και το υλικό παραμένει στον χωνευτήρα για περίπου ένα μήνα. Στη συνέχεια, η ιλύς συχνά αποτεφρώνεται ή αποτεφρώνεται, χωρίς περαιτέρω χρήση φωσφόρου που περιέχεται στη λάσπη. Μερικές φορές η ιλύς μεταφέρεται σε γεωργικά χωράφια, αλλά τα logistics είναι περίπλοκα λόγω των μεγάλων όγκων και υπάρχουν συζητήσεις σχετικά με τους ρύπους και τη διαθεσιμότητα του φωσφόρου στη λάσπη.

Ανάκτηση φωσφόρου από λάσπη λυμάτων που περιέχει φωσφορικό σίδηρο

Ο ευρύτερος στόχος της έρευνάς μας ήταν να αναπτύξουμε μια τεχνολογία που μας επιτρέπει να διαχωρίζουμε τον φώσφορο από την χωνεμένη ιλύ λυμάτων που περιέχει φωσφορικό σίδηρο. Αυτό θα μας επέτρεπε να επαναχρησιμοποιήσουμε τον φώσφορο στα λιπάσματα.

Για να μπορέσουμε να αναπτύξουμε μια τέτοια τεχνολογία, ήμασταν πεπεισμένοι ότι απαιτούνται περισσότερες πληροφορίες σχετικά με τον ακριβή τύπο φωσφόρου σιδήρου που περιέχεται στην χωνεμένη ιλύ λυμάτων. Επειδή υπάρχουν εκατοντάδες διαφορετικές ενώσεις φωσφόρου σιδήρου. Όλα διαφέρουν ως προς τις χημικές και φυσικές τους ιδιότητες. Μετά από διαβούλευση με τη βιβλιογραφία, ήταν προφανές ότι υπήρχαν μόνο λίγες πληροφορίες σχετικά με τον φώσφορο σιδήρου στην ιλύ λυμάτων.

Το ορυκτό βιβιανίτης φωσφόρου σιδήρου – κύρια μορφή φωσφόρου στη λάσπη λυμάτων

Συλλέξαμε δείγματα ιλύος λυμάτων από τη Φινλανδία, τη Γερμανία και την Ολλανδία. Επεξεργάσαμε και αναλύσαμε (διάθλαση ακτίνων Χ, τεχνικές ηλεκτρονικής μικροσκοπίας, φασματοσκοπία Mössbauer κ.λπ.) τα δείγματα σε συνθήκες χωρίς οξυγόνο. Σε όλες τις εγκαταστάσεις επεξεργασίας όπου χρησιμοποιήθηκε σίδηρος για την απομάκρυνση του φωσφόρου, βρήκαμε ένα ορυκτό φωσφόρου σιδήρου που ονομάζεται βιβιανίτης. Όσο περισσότερος σίδηρος υπήρχε στις λάσπες τόσο περισσότερος φώσφορος ήταν δεσμευμένος στον βιβιανίτη, έως και το 90% του φωσφόρου δεσμεύτηκε στον βιβιανίτη. Ο βιβιανίτης υπάρχει σε μικροσκοπικά σωματίδια στη λάσπη, περίπου 100 μm. Είναι περίπου η διάμετρος μιας ανθρώπινης τρίχας. Αυτό σημαίνει ότι σχεδόν όλος ο φώσφορος υπάρχει σε μία μόνο φάση. Πριν από αυτό όλοι πίστευαν ότι ο φώσφορος υπάρχει σε πολλές διαφορετικές μορφές. Αποδείχθηκε ότι ο χωνευτήρας είναι τόπος παραγωγής βιβιανίτη. Οι μακροχρόνιες και σταθερές συνθήκες και η απουσία οξυγόνου οδηγούν τον σχηματισμό βιβιανίτη.

Ένα διάσημο ορυκτό στη λάσπη λυμάτων

Ο βιβιανίτης είναι ένα μπλε ορυκτό που χρησιμοποιείται επίσης από καλλιτέχνες. Για παράδειγμα, ο ζωγράφος του Ντελφτ, Johannes Vermeer, ήταν ένθερμος χρήστης αυτής της χρωστικής. Εκτός από τη λάσπη λυμάτων, αυτό το ορυκτό μπορεί να βρεθεί και αλλού, όπως στην τύρφη.

Οι Αμερικανοί ιθαγενείς χρησιμοποιούσαν επίσης τη χρωστική ουσία. Καλλιτέχνες από τις ΗΠΑ έφτιαξαν έναν πίνακα με βιβιανίτη που αποκτήσαμε από μια μονάδα επεξεργασίας λυμάτων.

Βιβιανίτης – βασικό ορυκτό για την ανάκτηση του φωσφόρου

Αυτό που είναι ωραίο με τον βιβιανίτη, εκτός από το μπλε του χρώματος, είναι ότι είναι σιδηρομαγνητικός. Μπορεί να ανακτηθεί από τη λάσπη λυμάτων με μαγνήτες, χρησιμοποιώντας οικονομικά αποδοτικό εξοπλισμό που είναι ήδη καλά εδραιωμένος στη βιομηχανία εξόρυξης. Χρησιμοποιώντας μια μικρή εγκατάσταση, επιτεύχθηκε 60 τοις εκατό ποσοστά ανάκτησης. Αυτό συγκρίνεται περισσότερο με όλες τις άλλες τεχνολογίες ανάκτησης φωσφόρου που στοχεύουν στη λυματολάσπη. Πιθανότατα αυτό το ποσοστό θα αυξηθεί ακόμη περισσότερο στην επερχόμενη πιλοτική εγκατάσταση.

Μόλις διαχωριστεί το ορυκτό, ο βιβιανίτης μπορεί να διαλυθεί με ποτάσα για να παραχθεί ένα υγρό λίπασμα φωσφορικού καλίου. Κατά τη διάλυση του βιβιανίτη, σχηματίζονται οξείδια του σιδήρου, τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή αλάτων σιδήρου, τα οποία στη συνέχεια μπορούν να επαναχρησιμοποιηθούν για την αποβολή φωσφορικών αλάτων σε μονάδες επεξεργασίας λυμάτων.

Τι ακολουθεί;

Η διαδικασία έχει κατοχυρωθεί με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας και θα δοκιμαστεί από την Wetsus/TU Delft σε πιλοτική κλίμακα ως μέρος ενός έργου που χρηματοδοτείται από την ΕΕ (EIT Raw Materials) τα επόμενα δύο χρόνια.

Παράλληλα, οι επιστήμονες Wetsus/TU Delft προσπαθούν να αυξήσουν το μέγεθος των σωματιδίων του βιβιανίτη στη λάσπη λυμάτων. Τα μεγαλύτερα σωματίδια διαχωρίζονται ευκολότερα από τα λύματα. Περισσότερος φώσφορος μπορεί να ανακτηθεί για την παραγωγή λιπασμάτων.

Αυτή η ερευνητική ιστορία δείχνει ότι τα λύματα, τα οποία συχνά θεωρούνται προϊόν από το οποίο πρέπει να απαλλαγούμε, περιέχει στην πραγματικότητα πολύτιμους πόρους.

Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Vivianite ως το κύριο φωσφορικό ορυκτό στην χωνεμένη ιλύ λυμάτων και ο ρόλος του στην ανάκτηση φωσφορικών αλάτων, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Water Research. Αυτή η εργασία διεξήχθη από τον P. Wilfert από το Wetsus και το Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο του Ντελφτ, A.I. Dugulan, K. Goubitz, G.J. Witkamp και M.C.M. Ο Van Loosdrecht από το Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο του Ντελφτ και ο L. Korving από το Wetsus.