Mere viden om anvendelse af kildesorterende toiletteknologi
6 Krystallisering i urinsystemer
6.1 Indledning
Indførelsen af kildesorterende toiletsystemer har givet nye muligheder for at opsamle urin til anvendelse i landbruget men har også givet nogle tekniske problemer med hensyn til opsamling af urinen.
En ting er kildesorterende opsamlingstoiletter uden vandskyl og uden vandlås i en kolonihave med typisk max. 2 m fra urinskålen til en 25 l opsamlingsbeholder. Her er ingen vandlåse, der kan give problemer og heller ikke normalt problemer med tilstoppelse i de korte slanger. Skulle det alligevel ske, er det nemt at løse eller i værste fald at skifte 2 m slange. Disse systemer bliver mere og mere udbredte i kolonihaver. ( se bl.a projekt M226-0057 "Økologisk håndtering af urin, fækalier og gråt spildevand i kolonihaveforeninger ved hjælp af kildesorterende toiletsystemer og resorption af gråt spildevand").
Noget andet er opsamling fra kildesorterende dobbeltskyllende eller enkeltskyllende toiletter med vandlåse og ofte lange rørføringer i husinstallationer, der kan være boligblokke og frem til opsamlingstanke. Hyldespjældet i Albertslund (se projekt M226-0051 "Urinopsamling og -anvendelse i Hyldespjældet") og Munkesøgård i Roskilde er danske eksempler på sådanne installationer.
Når blandingen senere skal anvendes i landbrugsmæssig sammenhæng, kan der endvidere blive tale om et rørbaseret spredningssystem i form af et drypvandingssystem eller et system med sprinklers som bl.a. anvendes i forbindelse med vanding af pileplantager (se projekt FAIR5-CT97-3947/M226-0055 "Biomass short rotation willow coppice fertilized with nutrient from municipal wastewater (BWCW)".
Det er ikke nok at konstatere, at urin er et potentielt gødningsmiddel indeholdende såvel langt hovedparten af næringsstofferne i vores udsondringer som hovedparten af de næringsstoffer, der normalt indgår i husspildevandet. Der skal opfyldes en række vilkår før urin i stor skala kan finde anvendelse som gødning. Et af vilkårene er at urinen skal kunne opsamles i urintankene på en driftsstabil måde, uden at der forekommer regelmæssige stop i vandlåse eller rør eller er tale om lugtgener.
Indtil nu er det primært i Sverige, at kildesorterende toiletsystemer har haft en renæssance.
Størst udbredelse har de kildesorterende toiletter uden vandskyl til fritidssektoren fået. Men i begyndelsen af 1990īrne præsenteredes såvel et enkeltskyllende toilet "WM ES" som to dobbeltskyllende toiletter " BB Dubletten" og " WM DS" .
Da ønsket er at opsamle urinen så koncentreret som muligt, er skyllemængden, der anvendes i de forskellige toiletter til urinskyl, meget begrænset, typisk 0,1 – 0,3 l . Urinen med en tørsubstansprocent på 4 – 6 burde kunne skylles ud med en meget lille mængde vand.
Hvor separatoren som systemkomponent i et system med dobbeltskyllende kildesorterende toiletter kan anvendes til at kompensere for et kvantitativt aspekt i forbindelse med anvendelse af vand i det fækale system kunne fysisk vandbehandling være en tilgang til et kvalitativt problem i urinsystemet, nemlig krystallisering.
6.2 Stop i rør og vandlåse
6.2.1 Undersøgelser af stop i rør og vandlåse
I Tyskland undersøgte allerede i 1958 "Chemische Untersuchungsanstalt Heilbronn, Dr. K. Schiller, 25 m afløbsrør efter almindelige vandskyllende urinaler, der var tilstoppet efter tre års brug på en skole i Heilbronn. Det blev entydigt fastslået, at de dannede urinsten i rørstykket med et meget stort indhold af såvel calcium som magnesium stammede fra skyllevandet. Der var kun små mængder calcium og magnesium i urin. De større mængder calcium og magnesium fra skyllevandet havde indgået forbindelser med indholdsstoffer i urinen og dannet urinsten. Afsætningerne bestod primært af uløselige kalk- og magnesiumforbindelser som forelå i form af karbonater, oxalater, fosfater og sulfater. Nitrat, klorid og sulfid er i sig selv vandopløselige men fastholdes af andre indholdsstoffer. (Baseret på oversættelse og referat fra undersøgelsen i: Udateret "Gutachten über Urinalanlagen System Ernst "E. Meyer, Leiter der Abteilung Technische Gebäudeausrüstung Hochbauamt Stadt Heilbronn)
Hannaeus & Johansson (1996) beskæftigede sig bl.a. med erfaringer fra 11 større anlæg med kildesorterende toiletter i Sverige. De konkluderede, at det samlede indtryk var positivt, men at der var problemer med forskellige komponenter i anlæggene. Et af problemerne var, at der nogle steder optrådte tilstopning i rørsystemerne. Der nævnes visse problemer med krystallisering og dannelse af slam i rørene.
Burström & Jönsson (1998) rapporterede på baggrund af en spørgeskemaundersøgelse samt en undersøgelse af rørsystemerne fra toilet til opsamlingstank, at tilstopning eller dårligt gennemløb var noget der generelt optrådte i vandlåsene, hvis man ikke foretog sig noget aktivt for at forhindre det.
De undersøgte konkrete stop i vandlåse på kildesorterende dobbeltskyllende toiletter af mærket BB Dubletten i bebyggelserne "Understenshöjden" og "Ekoporten" samt rørsystemet i bebyggelserne "Understenshöjden" og "Palsternackan". De indhentede desuden generelle oplysninger om stop i vandlåse på Dubletten samt det kildesorterende dobbeltskyllende toilet af mærket DS fra områderne "Understenshöjden", "Smeden", "Hushagen" og "Pasternackan" via spørgeskemaer og fra "Svedden" via telefoninterviews. Flere af stederne er kort beskrevet i: Det økologiske Råd, 2000: "Alternative spildevandssystemer – 10 illustrerede eksempler fra Sverige".
På baggrund af hidtidige erfaringer burde risikoen for stop i horisontale urinrørsystemer være meget små ved rør, med en hældning på min. 1 % og en dimension på 110 mm. (Burström & Jönsson 1998, Jönsson m.fl. 2000).
Stop i vandlåse i de kildesorterende toiletsystemer med vandskyl af urin er en af de tekniske achileshæle for funktionsdygtig udbredt anvendelse i systemer for recirkulering af næringsstoffer.
Burström & Jönsson (1998) undersøgte i alt 17 vandlåse med tilstoppelse eller stærkt begrænset gennemløb. De prøvede om det var muligt at fjerne stoppene med henholdsvis 1) vand eller 2) rensewire. Det syntes ikke muligt at fjerne stoppene med almindelige vandstråler. Med en manuelt drevet roterende rensewire kunne man imidlertid nemt fjerne 13 ud af de 17 stop. De 13 stop var bløde og bestod af hår fra flaske- eller toiletbørster i kombination med krystallisering på disse hår. Det vurderedes at porcelænsproppen i Dublettens urinskål reducerede skyllehastigheden og dermed kunne formodes at have bidraget til stoppene. (Jönsson m.fl. 2000).
Fire af de 17 stop var imidlertid hårde. 3 af vandlåsene blev taget af, savet i stykker og analyseret. Den ene vandlås viste sig at indeholde en del af en flaskebørste. Der var et stort indhold af såvel calcium, magnesium, fosfor samt kobber i stoppene i kobbervandlåsene. Vandlåse af kobber og kobberrør er en dårlig idé. Kobberet kan dels øge udfældningen af metalfosfater i rørene og kan dels medføre, at øgede kobbermængder ved recirkulation tilføres landbruget.
I vandlåsen af plastik fandt Burström & Jönsson (1998) en masse på 218 gram vådvægt. TS lå på 44 % og 12 % af TS svarende til 12 g var fosfor. Gløderesten var 62 %. Indeholdet af henholdsvis calcium og magnesium var henholdsvis 159 g/kg TS og 42 g/kg TS.
Der er ikke undersøgt skyl med fastsatte skyllemængder men med vand af forskellige hårdheder.
Analyserne af stoppene i vandlåsene kunne tyde på, at der er tale om processer, der minder om dannelsen af nyresten i kroppen ved en sygelig tilstand med ændring af urinens pH eller minder om kemisk fældning på et rensningsanlæg ved tilsætning af fældningsmidler. Indeholdet af calcium og magnesium i skyllevandet kunne være en vigtig faktor til krystallisering og fældning af især fosfor i urinen. I såvel slammet i de stop der var lette som de hårde i vandlåsene samt det letrensede slam fra resten af rørsystemet, syntes fosfor primært at være bundet som kalciumfosfat, magnesiumammoniumfosfat og jernfosfat.
Hvis tilstedeværelse af hårdt vand fremmer dannelse af hårde stop i vandlåsene ved forbindelser med calcium og magnesium i skyllevandet, burde der forventes større problemer i områder med hårdt vand. Især i Østdanmark er der store områder med hårdt vand.
6.2.2 Indhold af calcium og magnesium i urin
Der er meget forskellige tal for indhold af calcium og magnesium i urin. I analysen fra Heilbronn blev der angivet 500 mg calcium og 400 mg magnesium i 1,5 l urin.
BRE (1986) angav i deres ikke publicerede rapport baseret på 50 personer i gennemsnit 19,5 mg calcium/100 ml urin, med et min. på 0,6 mg calcium/100 ml urin og et max. på 72,5 mg calcium/100 ml urin. Det svarer ved 1,5 l urin/p/d til i gennemsnit 292,50 g calcium/p/d. Magnesium lå i gennemsnit på 11,3 mg/100 ml urin, med et max. på 23,9 mg og et min. på 2,7 mg. Det svarer ved 1,5 l urin/p/d til i gennemsnit 169,50 mg magnesium/p/d.
Orten & Neuhaus (1982) angav en udsondring via urinen på pr. døgn og voksen person til 200 – 500 mg kalcium og 100 – 200 mg magnesium.
Burström og Jönsson (1998) kom via andre kilder frem til, at en person ved et dagligt indtag på 600 – 800 g kalcium og 300 – 350 mg magnesium via urinen udsondrer ca. 200 g kalcium og 100 mg magnesium.
Hårdt vand kan f.eks. indeholde 100 mg calcium/l og 30 mg magnesium/l. Hvis såvel skyllemængde som urin sættes til hver 0,2 l/skyl, kunne der således fremkomme en række ændringer i urinblandingen (urin + skyllevand) i forhold til den rene urins sammensætning.
Der kan bl.a. ske en ændring i forholdet imellem calcium og magnesium, i koncentrationen af calcium og magnesium samt en ændring i forholdet imellem disse og fosfat. Resultatet kunne blive øgede udfældninger.
6.3 Kalkproblemer i vandinstallationer
En måde at forebygge krystallisering i primært vandlåsene eller i det mindste at reducere problemerne kunne måske være fysisk vandbehandling i form af elektromagnetisk behandling af vandstrømmen, der bruges til vandskyl.
Disse overvejelser, som fik yderligere aktualitet i kraft af ovennævnte undersøgelser, var bevægegrund til at se på fysisk vandbehandling i form af elektromagnetisk vandbehandling som en eventuel mulighed for at reducere problemet med krystallisering.
Problemet formindskes givetvis ved at vandgennemstrømningen pr. sekund øges, eller ved at der bruges blødere vand f.eks. regnvand, men hvad med elektromagnetisk behandling? Man kunne forestille sig udstyret anvendt i boligblokke eller ejendomme, hvor det af hensyn til øvrige vandinstallationer som opvaskemaskiner, vaskemaskiner, kaffemaskiner, brusere m.m. alligevel overvejedes at installere vandbehandling.
Der er ingen praktiske erfaringer på området, men måske kunne der trækkes på erfaringer med hensyn til fysisk vandbehandling til løsning af kalkproblemer i andre vandinstallationer.
Hvis man ikke kan forhindre en udfældning af kalk og binding af fosfor som sætter sig i vandlåsene som hårde krystalformer, kunne man måske påvirke processerne så krystalliseringen foregik omkring partikler i vandet og transporteredes videre eller aflejrede sig som bløde krystaller, der var nemmere at fjerne.
Der forekommer en række problemer i forbindelse med udfældning af kalk i vandinstallationer i såvel boliger, industri m.m. Kalkbelægninger i rør, på hedeflader, haner ventiler, brusehoveder, dyser, fliser tekstiler m.m. har en række negative effekter. Der kan være tale om reduceret vandføringskapacitet, større pumpeydelser, stærkt stigende energiforbrug og ødelæggelse af komponenter. Belægningerne kan desuden give grobund for tilvækst af bakterier og fremme lugtudvikling (Vestergård 1999).
6.4 Kalk og elektromagnetisk behandling
Kalk, kalkudfældning og løsning af kalkproblemer er forskningsområder, hvor videncentre som Cranfield University, England, Kyoto University, Japan og Baylor University, USA spiller en vigtig rolle. Der er arbejdet meget på teorier angående og mekanismer bag magnetisk vandbehandling.
Der er generel enighed om;" at et magnetfelt er i stand til at ændre væskers opløsningers fysiske og kemiske egenskaber, hvilket kan være en forudsætning for, hvordan kalken udfælder sig. Det drejer sig f.eks. om ændringer i overfladespænding, pH og zeta-potentialer af partikler, hvor der er opnået reproducerbare resultater" og videre "at magnetisk vandbehandling ofte har en klar positiv effekt ved engangsgennemløb af vandet igennem et magnetfelt. Denne effekt er i mange tilfælde også dokumenteret, men endnu ikke reproducerbar." (Vestergård 1999 s. 7).
Ved udfældning af kalciumkarbonat (CaCO3) kan der alt efter omstændigheder dannes forskellige krystaltyper. Calcit består af hårde krystaller, der er vanskelige at fjerne, mens aragonit har en løsere struktur. Hvis det ikke kan undgås, at der udfældes kalk i rør m.m., vil det være en stor fordel, hvis kalken udfældes som aragonit, hvis løse struktur gør den væsentlig nemmere at fjerne.
Vand danner en kappe omkring ioner og urenheder, der forhindrer kalciumkarbonat molekyler i at bruge fremmedlegemer til udfældning. Kalken vil derfor sætte sig på rørvægge m.m. Ved elektromagnetisk behandling slås vandkappen af fremmedlegemet og kalken skulle nu danne et slam som enten flyder med vandet ud eller sætter sig som et langt blødere lag, der er væsentligt nemmere at fjerne.
Der er en hel del dokumentation for positive resultater i form af at forhindre kalkbelægning, fjernelse af eksisterende kalkbelægning samt ændring af krystalform til en form, der ikke giver hårde belægninger (Vestergård 1999).
Adspurgte producenter og leverandører opfattede det meget ringe antal returneringer af udstyret ved fri returret som et udtryk for at udstyret virkede. En del adspurgte brugere kunne bekræfte gode resultater men der var også nogle, der ikke havde opnået den ønskede effekt. På rensningsanlægget i Visby på Gotland anvendtes elektromagnetisk vandbehandling med stor tilfredshed i forbindelse med hårdt vand i slamafvandingsanlægget (Pers. samtaler med folk fra kommunen og rensningsanlæg i Visby).
6.5 Elektromagnetiske vandbehandlere
Der er flere fabrikater bl.a. Aqua-Perl, Metro og Trebema. Metros kalkspaltere produceres af det svenske firma Trebema.
De elektromagnetiske vandbehandlere skal enten som ved Aqua-Perl anbringes så at vandstrømmen ledes igennem et rør som er en del af enheden eller som ved Metros/Trebemas enheder ved at de forbindes med eksisterende rør via ledninger.
Der genereres impulser og dannes et elektrostatisk kraftfelt i vandet. Det tilstræbes ved hjælp af påvirkningen af vandet, at kalken ikke kan sætte sig som hårde aflejringer i rørinstallationer, vandvarmere m.m. Allerede hårdt afsat kalk i rørinstallationer som det behandlede vand gennemstrømmer søges også fjernet.
Fig. 6.1
Trebema "Aqua 2000"
Elektromagnetiske vandbehandlere anvendes såvel i husstande som i industri, landbrug, vaskerier, sports- og svømmehaller, restauranter og hoteller m.m.
Der er en række typer med forskellig kapacitet.
Tabel 6.1
Oversigt over elektromagnetiske kalkspaltere
Type (W) |
Rørdia. (mm) |
l/min |
l/h |
Effekt |
Aqua 1000 |
10 – 25 |
25 |
1.500 |
2 |
Aqua 2000 |
10 – 50 |
50 |
3.000 |
4 |
Aqua 3000 |
25 – 100 |
200 |
12.000 |
25 |
Aqua 5000 |
40 – 150 |
800 |
50.000 |
40 |
Aqua-Perl 480 |
15 |
20 |
1.200 |
6 |
Aqua-Perl 580 |
20 |
40 |
2.400 |
6 |
Aqua-Perl Home |
20 |
66 |
4.000 |
6 |
Aqua-Perl Home |
25 |
100 |
6.000 |
6 |
Aqua-Perl Home |
32 |
150 |
9.000 |
6 |
Aqua-Perl Home |
40 |
230 |
13.800 |
12 |
Aqua-Perl Home |
50 |
360 |
21.600 |
18 |
Aqua-Perl Home |
63 |
570 |
34.200 |
24 |
Aqua-Perl Home |
100 |
1.450 |
87.000 |
48 |
Kilder: Aqua-Perl Danmark, 1998 samt Trebema, udateret
6.6 Praktisk afprøvning
Der er som tidligere nævnt ingen praktiske erfaringer i forbindelse med dobbeltskyllende kildesorterende toiletter. Det kunne være interessant at afprøve teknikken i forbindelse med installationer med meget hårdt vand, hvor det også var af interesse i forbindelse med øvrige vandinstallationer i en ejendom.
6.7 Alternative anvendelsesmuligheder
Der kunne også være andre interessante anvendelsesmuligheder i forbindelse med urinblandinger/anden flydende gødning og elektromagnetisk vandbehandling.
I mange lande bruges der klor i drypvandingssystemer for at modvirke bakteriedannelse og aflejring/tilstopning i rør, drippers og sprinklers. Det ville være interessant om fysisk vandbehandling kunne være et alternativ.
Det ville også være interessant i vækstforsøg at undersøge, om ændringerne i væskerne har en gavnlig virkning på planternes optagelse af næringsstoffer og dermed på planternes vækst og kvalitet.
6.8 Alternative tilgange til krystallisering og stop
I et projekt med 4 dobbeltskyllende kildesorterende toiletter på Møns Museumsgård i Keldbylille har man i forbindelse med hårdt skyllevand regelmæssigt tilsat en blanding med eddikesyre. Der har i en sæsonerne 1999 og 2000 ikke været nogen stop (Pers. medd. Bo Feldtvos, Museumsgården)
Fig. 6.2
"WM-DS" kildesorterende dobbeltskyllende toilet
Fig. 6.3
" WM-DS" urinafløb
SLU, Uppsala har undersøgt anvendelse af en række forskellige kemikalier samt en mekanisk rensesplit og rapporterer at der endnu ikke har været stop man ikke har kunnet opløse og håndtere ved hjælp af en mekanisk rensesplit og kaustisk soda (NaOH) (Jönsson 2000). Kaustisk soda er med succes blevet afprøvet ved kraftigt stop i urinvandlåsen i et kildesorterende vakuumtoilet i Andelssamfundet i Hjortshøj (Pers. medd. Budde Jensen). Den kaustiske soda vil desuden kunne hæve pH i urintanken, hvilket er positivt for hygiejniseringen.
En anden tilgang kunne være at forsøge at løse problemet ved kilden ved at afskaffe vandskyl og vandlås i forbindelse med de kildesorterende toiletters urinsystem. Det kunne gøres ved at bruge en alternativ lugtlås som den f.eks. kendes i forbindelse med de vandfrie urinaler eller ved at operere med et undertryk som det kendes fra andre kildesorterende toiletter. En mindre radikal løsning på kort sigt kunne være at forsøge at ændre vandlåsene.
Fig. 6.4
Roevac kildesorterende dobbeltskyllende toilet
Før benyttelse
Ved benyttelse
Ved skyl efter benyttelse
Fig. 6.5
Principskitser Roevac kildesorterende dobbeltskyllende toilet
6.9 Sammenfatning
Der har været betydelige problemer med krystallisering og stop i dobbeltskyllende kildesorterende toiletsystemer. Fysisk vandbehandling i form af elektromagnetisk vandbehandling kunne måske reducere eller løse problemet i forbindelse med hårdt vand, men der er ingen praktiske erfaringer.
Det ser ud til at problemerne dels kan søges forebygget med f.eks. eddikesyre og når de opstår kan løses ved en kombination af en mekanisk rensewire og kaustisk soda. SLU rapporterer at der endnu ikke er fundet stop der ikke kan fjernes ved kombination af en mekanisk rensewire og brug af kaustist soda.
Frekvensen af stop kunne givetvis nedsættes i kildesorterende dobbeltskyllende toiletsystemer ved etablering af større vandlås og større vandskyl , hvilket dog ville gøre urinen mindre interessant. En interessant løsning er en opbygning af toiletklosettet og skyllesystemet således at koncentreret urin ved benyttelse via urinskålen løber til urinsystemet mens skyllevandet efter benyttelse af toilettet og ventilaflukning af urinsystemet tager fækalievejen. Et toiletkloset med dette princip er udviklet og overvejes markedsført. Der er i den forbindelse lige som ved brug af vandfrie urinaler brug for mere viden om rørtransport af koncentreret urin.
Det ville endvidere være interessant at undersøge potentialet for fysisk vandbehandling ved spredning via rør og drippers/sprinklers af den flydende gødning og mulighederne for at påvirke planternes vækst og kvalitet.
6.10 Perspektiver
Dobbeltskyllende kildesorterende toiletter uden tilførsel af vand til urinsystemet kunne måske ikke blot være et interessant bud på problemer med hårde aflejringer og hyppige stop ved urinskyl men kunne måske blive en yderst interessant systemkonfiguration i kombination med Aquatron separatorer. Over 80 % af urinen ville kunne opsamles koncentreret og særskilt samtidig med at op til 70 % af indholdsstofferne i fækalierne i installationer uden store vertikale blev separerede. Ved urinskyl på 2 – 3 l , hvor skyllevandet tager fækalievejen, ville kun nogle få procent af skyllevandet tage partikkelvejen og dermed kun sænke koncentrationen i begrænset omfang.