| Forside | | Indhold | | Forrige | | Næste |

Beplantede filteranlæg til rensning af spildevand i det åbne land

5. Undersøgelse af forskellige typer af sands fosforbindingsevne

5.1 Materialer og metoder

5.1.1 Sand og grusmaterialer

De forskellige typer af sand der indgik i undersøgelsen blev fremskaffet fra et udvalg af danske grusgrave fordelt over landet (Tabel 5-1). Formålet var at belyse de forskellige sandes evne til at binde fosfor og dermed deres rensepotentiale over for fosfor såfremt de anvendes som medium i beplantede filteranlæg.

Tabel 5-1
Liste over sand der er undersøgt, med angivelse af produktbetegnelse samt leverandør.

5.1.2 Karakterisering af sand

5.1.2.1 Tekstur

Sandets kornstørrelsesfordeling på vægtbasis blev undersøgt ved tørsigtning (n=3) i henhold til Day (1965). Kornstørrelsesfordelingskurverne blev brugt til at estimere d₁₀ og d₆₀, der angiver ved hvilken kornstørrelse henholdsvis 10 og 60% af kornene på vægtbasis er mindre end d₁₀ og d₆₀. Uensformighedstallet (U= d₆₀/d₁₀) blev udregnet som forholdet mellem d₆₀ og d₁₀.

5.1.2.2 Porøsitet og volumenvægt

Sandets porøsitet blev bestemt ud fra den mængde vand der skulle til for at mætte et kendt volumen af sand (n=3), og volumenvægten blev bestemt som forholdet mellem tørvægt og volumen (g/cm³, n=3).

5.1.2.3 Vandledningsevne

Sandmaterialernes vandmættede hydrauliske ledningsevne blev bestemt i pakkede kolonner ved anvendelse af den såkaldte ’constant head’ metode (n=5) i henhold til Klute (1965).

5.1.2.4 Mineralindhold

Koncentrationen af fosfor (P), jern (Fe), kalcium (Ca), aluminium (Al) og magnesium (Mg) blev bestemt i kornstørrelsesfraktionen < 2 mm. Tørrede sandprøver blev ekstraheret i kogende salpetersyre og brintperoxid (HNO₃-H₂O₂, n=2) i henhold til metode beskrevet af Brix et al. (1983). Fosfor, Fe, Ca, Al og Mg blev analyseret ved plasma emissions spektrofotometri (Perkin Elmer Plasma II Emission Spectrometer, USA).

5.1.3 Fosforbindingskapacitet

5.1.3.1 Fosfor isoterm eksperimenter

Cirka 5 g sand blev indvejet i 200-ml polyethylenflasker (n= 2 eller 3) , og 100 ml hanevand beriget med fosfor (KH₂PO₄) til én af følgende koncentrationer blev tilsat: 0, 2.5, 5. 10, 20, 40, 80, 160 og 320 mg P l^-1. Hanevand blev anvendt frem for demineraliseret eller destilleret vand fordi mineralsammensætningen af hanevand ligner spildevands. Flaskerne med sand og fosforopløsning samt blindprøver uden sand blev herefter inkuberet ved stuetemperatur med konstant omrøring i en ’roterende mølle’ i 20 timer. Efter bundfældning blev en delmængde af supernatanten filtreret gennem et Whatman GF/C filter, og indholdet af fosfor blev analyseret efter Dansk Standard (1997). I en parallel prøve blev pH og ledningsevne målt. Mængden af fosfor bundet til sandet blev beregnet på basis af mængden der var forsvundet fra væsken. Ligeledes blev sandenes fosforbindingskapacitet søgt estimeret ved hjælp af Langmuir plot (se Arias et al., 2000, for detaljer).

5.1.3.2 Kolonne eksperimenter

Kolonner fremstillet fra 1-liter polyethylen flasker (diameter 95 mm) blev pakket med ca. 1 kg sand (n=2). Kolonnerne fik kontinuert tilført en 10 mg/l fosforopløsning (fremstillet i hanevand, pH justeret til 6.9 med HCl). Flowraten var ca. 240 ml per døgn, hvilket svarer til en gennemsnitlig opholdstid for vandet i kolonnerne på 12-14 timer. Vandet blev tilført fra en fødetank med konstant omrøring. Vandet i fødetanken blev udskiftet hver tredje dag. Kolonner var konstant vandmættede idet udløbsniveauet fra kolonnerne blev sat lige over sandoverfladen i kolonnerne. Afløbet fra kolonnerne blev opsamlet og mængden målt dagligt. Desuden blev pH og ledningsevne målt. En delmængde blev filtreret gennem Whatman GF/C filtre og fosforkoncentrationen analyseret i henhold til Dansk Standard (1997). Efter 12 uger blev forsøget afsluttet. For at belyse bindingsformen for fosfor i kolonnerne, blev sandet sekventielt ekstraheret i henhold til en metode modificeret fra Hieltjes & Lijklema (1980). Fraktioneringen adskiller den bundne fosformængde i fire fraktioner:

1. adsorberet P
2. jern og aluminium bundet P
3. kalcium og magnesium bundet P
4. residual P

Se Arias et al. (2000) for detaljer. Alle ekstraktioner blev udført som dobbeltanalyser. Vandindholdet i sandet blev bestemt ved tørring til konstant vægt ved 105°C.

5.1.4 Statistik

Alle statistiske analyser blev udført med softwaren Statgraphics version 3.1 (Statistical Graphics Corp., USA). Principal komponent analyser blev udført på de målte karakteristika af sandet, og de resulterende ’factor scores’ blev anvendt som uafhængige variable i multiple regressionsanalyser med sandets fosforbindingsevne som afhængig parameter. Denne procedure reducerede antallet af uafhængige variable fra 11 abiotiske variable til tre eller fire principale komponent faktorer, som er lineære kombinationer af de 11 originale variabler.

5.2 Resultater

5.2.1 Karakterisering af sand

5.2.1.1 Fysiske karakteristika

De undersøgte sandmaterialer havde alle en tekstur og vandledningsevne der gør dem potentielt anvendelige som medier i beplantede filteranlæg (Tabel 5-2). Den effektive partikeldiameter (d₁₀) varierede mellem 0.20 mm for den fineste sand til 1.4 mm for den groveste sand. Tre af sandmaterialerne var relativt grovkornede og havde d₆₀> 3.2 mm og tilsvarende høje vandledningsevner. Uensformighedstallet varierede mellem 2.6 og 5.6.

Tabel 5-2
Fysisk karakteristik af de undersøgte sandmaterialer. Værdier for porøsitet, d₁₀, d₆₀ og uensformighedstal (d₆₀/d₁₀) er middelværdier for tre analyser. Værdier for vandmættet vandledningsevne (K_s) er middelværdier ± 1 standardafvigelse (n=5)

5.2.1.2 Mineralindhold

Indholdet af fosfor (P), jern (Fe), kalcium (Ca), aluminium (Al) og magnesium (Mg) i de undersøgte sande varierede afhængigt af sandenes oprindelse (Tabel 5-3). Indholdet af Ca var meget lavt (0.2 mg g^-1 tørstof) i Vestergård sand samt i den inerte Kvartssand og sand fra Løgtved, mens indholdet i de øvrige undersøgte sande varierede mellem 20 og 70 mg g^-1 tørstof. Vestergård sand havde ligeledes et lavt indhold af Al og Mg sammenlignet med de øvrige sande, men indeholdt til gengæld en del Fe. Kvartssand havde lavt indhold af alle mineraler. Der var kun små forskelle i ligevægts-pH og ledningsevne imellem sandene, hvilket skyldes hanevands relativt store bufferkapacitet. Dog havde Vestergård sand, der også havde et lavt indhold af mineraler, et relativt lavt pH sammenlignet med de andre sande, men der var ingen generel sammenhæng mellem mineralindhold og ledningsevne og/eller ligevægts-pH.

Tabel 5-3
Ligevægts pH og ledningsevne i hanevand samt indhold (mg g^-1 tørvægt) af fosfor (P), jern (Fe), kalcium (Ca), aluminium (Al) og magnesium (Mg) i de undersøgte sandmaterialer. Alle værdier er gennemsnit af dobbeltanalyser.

5.2.2 Fosfor-isoterm eksperimenter

De undersøgte sandes evne til at fjerne fosfor fra de P-holdige opløsninger varierede betydeligt (Figur 5-1). Sande med et højt indhold af kalcium (Darup og Nymølle) fjernede mere fosfor fra opløsningerne end det inerte Kvartssand og andre sande med et lavt indhold af kalcium. Denne forskel var mest udtalt ved høje initielle fosforkoncentrationer i væsken. Ved en initial fosforkoncentration i væsken på 320 mg/l varierede P-fjernelsen mellem 0.27 mg/g tørstof for Kvartssand og 3.94 mg/g tørstof for Darup sand. De andre sandes fosfor fjernelse lå imellem disse ekstremer (Tabel 5-5).

Figur 5-1
Mængden af fosfor (P) fjernet fra inkuberingsvæsken (adsorberet til sand materialerne) plottet mod ligevægtskoncentration i væsken efter 20 timers ekvilibrering. Lodrette linjer angiver minimum og maksimum værdier (n= 2 eller 3).

5.2.2.1 Principal komponent analyse

Med henblik på at belyse om der var en sammenhæng mellem sandenes fysiske karakteristika (subsidiært deres indhold af mineraler) og deres evne til at binde fosfor, blev der foretaget en principal komponent analyse af de målte karakteristika (Tabel 5-4). Analysen identificerede fire principale komponenter, der kunne tolkes som (i) en metal-relateret faktor (høj vægt for P, Fe, Al og Mg); (ii) en tekstur-relateret faktor (høj vægt for de forskellige kornstørrelsesfraktioner); (iii) en pH og ledningsevne relateret faktor (høj vægt for ligevægts pH og ledningsevne); og (iv) en kalcium relateret faktor (høj vægt for indhold af Ca). I nogle tilfælde var den pH og ledningsevne relaterede faktor og den kalcium relaterede faktor kombineret i én fælles faktor med høje vægte for alle tre parametre.

Tabel 5-4
Principal komponentanalyse af sandenes indhold af fosfor (P), jern (Fe), kalcium (Ca), aluminium (Al), og magnesium (Mg), tekstur (GS: kornstørrelsesfraktion) af de 13 undersøgte sande samt ligevægts pH og ledningsevne i 80 mg l^-1 P inkubationen. Variable med høj vægt (>0.73) er vist med fede typer.

De principale komponenter som kunne forklare den største variation i de målte karakteristika blev derefter anvendt som uafhængige variabler i multipel regressionsanalyser, hvor den afhængige variabel var mængden af fosfor fjernet fra inkubationsvæsken ved de forskellige inkubationskoncentrationer.

Den mest signifikante sammenhæng blev fundet ved en inkubations-koncentration på 80 mg/l (P<0.001). Alle fire principale komponenter var signifikante (P<0.01) i regressionsanalysen. Principal komponent 3 (den pH og ledningsevne relaterede faktor) havde størst vægt (P<0.001) og kunne forklare 82.2% af variationen i P fjernelsen. Inkludering af principal komponent 4 (den Ca relaterede faktor) i regressionsmodellen kunne forklare yderligere 7.6% af variationen i P fjernelsen (P<0.001), og principal komponent 2 (den tekstur relaterede faktor; P<0.01) og principal komponent 1 (den metal relaterede faktor; P=0.04) kunne tilsammen forklare yderligere 6.6% af variationen i sandenes P fjernelse. Samlet forklarede de fire principale komponenter således 96.4% af variationen i sandenes P fjernelse ved en initiel inkubationskoncentration på 80 mg/l.

Ved højere inkubationskoncentration viste regressionsanalyserne generelt samme mønster, men det statistiske signifikansniveau blev gradvis mindre. Ved fosforkoncentration på 160 mg/l var kun den pH og ledningsevne relaterede faktor samt Ca faktoren statistisk signifikant (P<0.01) og forklarede tilsammen 79.5% af variationen i sandenes P-fjernelse. Ved 320 mg/l blev den pH og ledningsevne relaterede faktor og Ca faktoren kombineret i én fælles faktor, der sammen med den tekstur relaterede faktor kunne forklare 89.6% af variationen i P fjernelsen (P<0.001). Ved inkubationskoncentrationer lavere end 80 mg/l var der ingen statistisk signifikant sammenhæng mellem de principale komponenter og sandenes P fjernelse.

5.2.2.2 Langmuir isoterm plots

Sandenes fosforbindingskapacitet blev søgt estimeret ved hjælp af såkaldte Langmuir plots (se Arias et al., 2000, for detaljer). De estimerede fosforbindingskapaciteter varierede mellem 0.020 mg/g tørstof for Kvartssand til 0.129 mg/g tørstof for Løgtved sand (Tabel 5-5). De estimerede P bindingskapaciteter var generelt en størrelsesorden laverede end de faktisk observerede P mængder fjernet ved inkubation ved 320 mg/l (Tabel 5-5). En principal komponent analyse viste at den estimerede P-bindingskapacitet kunne relateres til sandenes tekstur (P=0.035) og sandenes indhold af jern, aluminium og magnesium (P=0.07), der samlet kunne forklare 44.3% af variationen i den estimerede P-bindingskapacitet. Kalcium, pH og ledningsevne var ikke signifikant relateret til P-bindingskapaciteten.

Tabel 5-5
Gennemsnitlig P-bindingskapacitet estimeret på basis af Langmuir isoterm plots, mængde af P fjernet ved inkubation ved 320 mg P l^-1, og P-fjernelsen i kolonner efter en specifik P-belastning på 0.2 mg g^-1 tørstof. Værdier i parentes angiver ± 1 standard error for Langmuir P-bindingskapacitet, og minimum og maksimum for P-fjernelse i ved 320 mg l^-1 og P-fjernelse i kolonner

5.2.3 Kolonne eksperimenter

Initialt fjernede alle kolonner fosfor effektivt, men effektiviteten faldt med tiden og i forskellig grad for de undersøgte sandmaterialer (Figur 5-2). Renseeffekten i Kvartssand aftog hurtigt efterfulgt af Aunsøgård og Vestergård sand. Den bedste fosforfjernelse blev observeret i Darup sand, der konsekvent fjernede mere end 80% af det tilledte fosfor gennem forsøget. Ved forsøgets afslutning sås dog et ubetydeligt fald i renseffekt. Nymølle og Sorø sand opretholdt en god og stabil rensning gennem forsøget, dog på et lidt lavere niveau (ca. 70% fjernelse). Renseeffekten af de øvrige undersøgte sande aftog betydeligt gennem forsøget til værdier <50% ved forsøgets afslutning efter 12 uger.

Plottes mængden af P fjernet i kolonnerne mod P belastning ses initielt en lineær sammenhæng, hvilket svarer til en høj og konstant P-fjernelse (Figur 5-3). Men det ses tydeligt fra kurvernes forløb at kolonnerne blev mættet, eller ville blive mættet med P, efter vidt forskellig tid. Vestergård sand var meget effektiv i begyndelsen, men effektiviteten aftog hurtigt da belastningen oversteg ca. 0.1 mg/g tørvægt. Kvartssand var ikke så effektiv som Vestergård sand i begyndelsen, men til gengæld opretholdt Kvartssand en vis renseeffekt selv ved en belastning på 0.2 mg/g tørvægt. Darup sand var så absolut den mest effektive af de undersøgte sandmaterialer, og P-bindingskapaciteten var ikke brugt op da forsøget afsluttedes. Uheldigvis blev forsøget (pga. ressourcemangel) afsluttet inden flere af sandene var mættede med fosfor, og derfor er det ikke muligt at fastslå deres absolutte P-bindingskapacitet på basis af resultaterne.

Se her!

Figur 5-2
Sammenhæng mellem mængden af fosfor fjernet (% af indløbs-koncentration) og akkumuleret fosfor belastning i kolonneforsøgene. Kolonner blev belastet kontinuert i 12 uger med en 10 mg/l P opløsning. Vandets opholdstid i kolonner var 12-14 timer. Kurverne viser gennemsnit af to kolonner af hver sandtype.

Se her!

Figur 5-3
Akkumuleret mængde fosfor fjernet plottet mod den akkumuleret fosfor belastning i kolonneforsøgene. Kolonner blev belastet kontinuert i 12 uger med en 10 mg/l P opløsning. Vandets opholdstid i kolonner var 12-14 timer. Kurverne viser gennemsnit af to kolonner af hver sandtype. De stiplede linjer repræsenterer 100% fjernelse.

5.2.3.1 Principal komponent analyse

Med henblik på at belyse om der var en sammenhæng mellem sandenes fysiske karakteristika (subsidiært deres indhold af mineraler) og deres evne til at fjerne fosfor i kolonnerne, blev der foretaget en principal komponent analyse af de målte karakteristika for sandene samt pH og ledningsevne i udløbet fra kolonnerne (resultat af analysen ikke vist). Som i isoterm eksperimenterne identificerede analysen tre principale komponenter, der kunne tolkes som (i) en metal-relateret faktor (høj vægt for P, Fe, Al og Mg); (ii) en tekstur og Ca-relateret faktor (høj vægt for især de groveste kornstørrelsesfraktioner og Ca); og (iii) en pH og ledningsevne relateret faktor (høj vægt for udløbs pH og ledningsevne). Som i isoterm eksperimenterne blev de principale komponenter derefter anvendt som uafhængige variabler i en multipel regressionsanalyse, hvor den afhængige variabel var mængden af fosfor fjernet i kolonnerne. Analysen viste at P-fjernelsen i kolonnen kunne relateres til sandenes tekstur og indhold af kalcium (Principal komponent 2) som forklarede 32.6% af variationen i P-fjernelsen i kolonnerne (P=0.007). Udløbs pH og ledningsevne (principal komponent 3) kunne forklare yderligere 20.8% af variation (P=0.06), hvorimod sedimentets indhold af de øvrige mineraler (principal komponent 1) ikke var statistisk signifikant i regressionsanalysen (P>0.1). En simpel lineær regressionsanalyse viste at P-fjernelsen var positivt korreleret til sandenes Ca indhold (r=0.78, P=0.002) og negativt korreleret med kornstørrelsesfraktionen 0.6-2.0 mm (r=-0.63, P=0.02). På basis af disse analyser kan det således konkluderes at finkornede sande med et højt indhold af kalcium og forholdsvist høj pH og ledningsevne vil have den bedste rensende evne overfor fosfor.

5.2.3.2 Sammenligning af kolonneforsøg med isoterm eksperimenter

Generelt var den observerede fosfor fjernelsen i kolonnerne ved en akkumuleret belastning på 0.2 mg/g tørstof betydeligt højere end den på basis af Langmuir plottene estimerede fosforbindingskapacitet (se Tabel 5-5), og en korrelationsanalyse viste, at der var ingen sammenhæng mellem de to (r=0.21, P=0.49). Derimod var der sammenhæng mellem mængden af fosfor fjernet i isoterm eksperimenterne og mængden fjernet i kolonnerne (Tabel 5-6). Især ved høje initielle P koncentrationer i isoterm inkubationerne var sammenhængen stærk. Mængden af fosfor bundet til sandet ved de høje koncentrationer var imidlertid væsentlig højere end mængden fjernet i kolonnerne, hvilket skyldes at sandenes bindingskapacitet i kolonnerne ved forsøgets afslutning endnu ikke var brugt op.

Tabel 5-6
Resultat af lineær regressionsanalyser mellem mængden af P fjernet i kolonnerne ved en kumuleret belastning på 0.2 mg P/g tørstof og mængden af P bundet til sandet i isoterm eksperimenterne ved forskellige initielle P koncen-trationer. Værdier angivet med fed typografi er statistisk signifikante på 5% niveau.

5.2.3.3 Bindingsform af fosfor i kolonnerne

Fosfor fraktioneringen af sandene i kolonnerne viste at den adsorberede-P fraktion generelt udgjorde en meget lille fraktion (<7%) af sandenes P-indhold (Tabel 5-7). Residual-P udgjorde generelt den største fraktion (op til 85% af sandenes P-indhold). Nogle sande (Darup, Aunsøgård, Farum og Bedsted 3) havde betydelige mængder Ca og Mg bundet P, og andre (Vestergård, Almind og Kvartssand) havde betydelige mængder af Fe og Al bundet P. En korrelationsanalyse viste (i) at adsorberet-P var positivt korreleret med sandenes Ca indhold (r=0.83, p=0.0005), (ii) at Ca og Mg bundet-P var positivt korreleret med sandenes indhold af Ca (r=0.55, P=0.05), Mg (r=0.56, P=0.044) og Al (r=0.63, P=0.02), (iii) at Fe og Al bundet-P var positivt korreleret med sandenes Fe indhold (r=0.56, P=0.05), og (iv) at residual-P fraktionen var positivt korreleret med sandenes indhold af Mg (r=0.88, P=0.0001), Al (r=0.86, P=0.0002) og Ca (r=0.67, P=0.013).

En regressionsanalyse viste at den kumulerede mængde fosfor fjernet i kolonnerne gennem de 12 ugers belastning var positivt korreleret med den adsorberede-P fraktion (r=0.84, P=0.0004) og residual-P fraktionen (r=0.65, P=0.02). Mængden af adsorberet P var imidlertid mindst en størrelsesorden mindre end mængden fjernet i kolonnerne. Dette viser at P-fjernelsen i kolonnerne ikke skyldtes simpel adsorption alene, men at andre processer (udfældning) var af stor betydning.

Tabel 5-7
Fosforfraktionering af sand i kolonner efter 12 ugers belastning med en 10 mg/l P-opløsning. Vandets opholdstid i kolonner var 12-14 timer. Ads-P = adsorberet fosfor; Ca+Mg-P=kalcium og magnesium bundet fosfor; Fe+Al-P=jern og aluminium bundet fosfor; Res.-P=residual fosfor; Total-P= total fosfor. Tabellen angiver gennemsnit af to kolonner (i parentes). Der er udført dobbltanalyse på hver kolonne.

5.3 Diskussion

5.3.1 Betydning af geografisk oprindelse for fosforbindingsevnen

Undersøgelsen viser klart, at der er stor forskel på forskellige typer af sands evne til at binde fosfor. Sandenes anvendelighed som medium i beplantede filteranlæg etableret med det formål at reducere fosfor er derfor forskellig . De undersøgte sande kommer fra forskellige danske grusgrave, men der kan ikke på baggrund af disse undersøgelser drages nogen generel konklusion om fosforbindings-kapaciteten baseret på geografisk placering af grusgravene i Danmark. Desværre var vestjyske grusgrave, og dermed grus fra de udvaskede hedesletter, dårligt repræsenteret i undersøgelsen. Dog tyder de kemiske analyserne på, at Vestergård sand stammer fra et sådant område, idet indholdet af kalcium er meget lavt. Derfor er resultaterne for Vestergård sand muligvis repræsentative for sand fra Vestjylland.

5.3.2 Hvilke karakteristika hos sandet har betydning for fosforbindingsevnen?

Undersøgelserne viser, at især indholdet af kalcium i sandene samt deres tekstur har indflydelse på deres fosforbindingsevne. Der var en signifikant sammenhæng mellem mængden af fosfor fjernet i kolonnerne og de principale komponenter der indeholdt kalcium, tekstur, pH og ledningsevne, hvorimod indholdet af jern, aluminium og magnesium ikke havde nogen signifikant indflydelse. Indholdet af kalcium var generelt højere end indholdet af de andre mineraler i sandene (med undtagelse af Kvartssand, Vestergård og Løgtved sand). Og selv om pH i indløbsvandet blev justeret til pH=6.9, varierede pH i udløbsvandet mellem 7.5 og 8.5 for de forskellige sande - et pH niveau, hvor udfældningsreaktioner med kalcium begunstiges (Stumm & Morgan, 1981). Ligeledes var indholdet af kalcium i det anvendte ’kunstige’ spildevand højt (ca. 90 mg/l) hvilket yderligere befordrer udfældning af tungt opløselige kalciumfosfater (Maurer et al., 1999). Dette støtter antagelsen om, at udfældning af tungt opløselige kalciumfosfater er den vigtigste rensemekanisme for fosfor i de undersøgte typer af sand. Isoterm undersøgelserne understøtter ligeledes denne hypotese. Ved høje initielle koncentrationer af fosfor i opløsningerne var der en signifikant sammenhæng mellem mængden af fosfor bundet til sandet og den principale komponet der indeholdt kalcium, pH og ledningsevne. Denne relation blev ikke fundet ved lave initielle P koncentrationer.

5.3.3 Fosforbindingskapacitet estimeret ved Langmuir isoterm plots

Fosforbindingskapaciteten, der blev estimeret ved hjælp af Langmuir isoterm plots, havde ingen sammenhæng med den mængde fosfor, der faktisk blev bundet i kolonnerne. Derfor kan Langmuir plots ikke anvendes som en metode til at estimere sands fosforbindingskapacitet. Teorien bag Langmuir ligningen er baseret på adsorptionen af gasser til en ensartet partikeloverflade, og derfor kan Langmuir ligningen strengt taget kun anvendes til at beskrive adsorptionsprocesser. Det er imidlertid vist, at Langmuir ligningen kan anvendes til også at beskrive udfældningsreaktioner, såfremt der er tale om veldefinerede og isolerede reaktioner baseret på enkelte stoffer (Veith & Sposito, 1977). Når der er tale om komplekse udfældningsreaktioner med medvirken fra forskellige kemiske forbindelser er Langmuir ligningen imidlertid ikke gyldig (Barrow, 1978).

5.3.4 Estimeret levetid af det undersøgte sand

Sands evne til at binde fosfor aftager efterhånden som sandet bliver mættet med fosfor og de forbindelser der er ansvarlige for udfældningsprocesserne bliver opbrugt. Et vigtigt spørgsmål er hvor længe en given sand vil kunne fjerne fosfor effektivt fra det tilledte spildevand i et beplantet filteranlæg. Desværre var det ikke muligt inden for nærværende undersøgelses tidshorisont at opnå mætning i kolonneforsøgene, men undersøgelserne giver alligevel et fingerpeg om det undersøgte sands fosforbindingskapacitet. Mængden af fosfor der blev tilført kolonnerne i denne undersøgelse gennem en 12 ugers periode svarer ca. til et års belastning med husspildevand på et beplantet filteranlæg ved anvendelse af normale dimensioneringsprincipper for rodzoneanlæg (5 m² per person og en dybde af mediet på 60 cm). Det betyder at fosforbindingskapaciteten i et anlæg opbygget med Kvartssand eller Vestergård sand ville være brugt op allerede efter nogle få måneder. Hvis derimod mediet i anlægget var Darup sand, ville fosfor fjernes effektivt i hvert fald det første år, og sandsynligvis i flere år derefter. Resultaterne af isoterm eksperimenterne kan give et fingerpeg om hvor længe, al den stund at der var en klar sammenhæng mellem fosfor fjernelsen i kolonnerne og mængden af fosfor fjernet i isoterm eksperimenterne. Mængden af fosfor fjernet af Darup sand ved 320 mg/l i isoterm eksperimenterne var 6-14 gange større end mængden fjernet af Kvartssand og Vestergård sand, og 1.5-5 gange større end mængden fjernet af de andre sandtyper. Det kan derfor antages, at levetiden for Darup sand i beplantede filteranlæg vil være tilsvarende længere. Det er dog stadig uklart hvornår – og på hvilken måde – rensegraden vil aftage. Som det ses for f.eks. Farum sand, kan renseeffekten aftage pludseligt over en kort tidsperiode, eller den kan aftage mere gradvist over en længere periode, som det ses for de fleste andre sandtyper. I fuldskala anlæg vil der dog stadig ske nogen rensning for fosfor selv om sandets fosforbindingskapacitet er brugt op, idet der stadig vil fjernes fosfor som følge af inkorporering i planter og biofilm og efterfølgende akkumulering af organisk stof i anlægget.

5.3.5 Valg af sand til anvendelse i beplantede filteranlæg

Når der skal vælges sand til anvendelse i et beplantet filteranlæg skal først og fremmest sandets tekstur være rigtig for blandt andet at sikre en god vandledningsevne og mindske risikoen for tilklogning. I henhold til Miljøstyrelsen vejledning for etablering af rodzoneanlæg (Miljøstyrelsen, 1999) skal d₁₀ være mellem 0.3 og 2.0 mm, d₆₀ skal være mellem 0.5 og 8 mm, og uensformighedstallet d₆₀/d₁₀ skal være mindre en 4. Endvidere må der ikke findes ler og silt i sandet.

Såfremt der ønskes et medium der giver en effektiv rensning for fosfor i det beplantede filteranlæg, skal filtersandet være så finkornet som muligt indenfor ovenstående grænser. Endvidere bør sandets indhold af især kalcium være højt. Et højt indhold af kalcium vil befordre udfældning af fosfor i mediet som tungtopløselige kalciumfosfater, især ved husspildevands relativt høje pH. Såfremt det spildevand, der skal renses, har et lavere pH end normalt husspildevand er indholdet af jern og aluminium i mediet af større betydning, da fosfors udfældning med jern og aluminium fremmes ved lavt pH.

Forskellige potentielle sandmaterialers fosforbindingsevne kan undersøges ved simple sorptions eksperimenter (isoterm eksperimenter). Der bør anvendes spildevand eller vand med kemisk sammensætning (og pH) som det spildevand der skal renses. Metodikken vil ikke give et direkte mål for hvor godt, og i hvor lang tid, de enkelte materialer vil fjerne fosfor i et fuldskala anlæg, men metoden vil kunne bruges til at sammenligne forskellige mediers relative fosforbindingskapacitet indbyrdes.