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

Beplantede filteranlæg til rensning af spildevand i det åbne land

6. Undersøgelse af forskellige typer af ’kunstige’ mediers fosforbindings-kapacitet

I udlandet er der udført undersøgelser af forskellige produkter, der potentielt kan anvendes til binding af fosfor, herunder LECA (Zhu et al., 1997), granuleret laterite (Wood & McAtamney, 1996), lerskifer (Drizo et al., 1997) og knust marmor (Gervin & Brix, 2000). Resultaterne af undersøgelserne varierer, men ofte findes, at disse materialer kan øge fosforbindingsevnen i beplantede filteranlæg betydeligt.

De her beskrevne undersøgelser er udført i samarbejde med Afdeling for Botanisk Økologi, Aarhus Universitet. Resultaterne er publiceret i følgende videnskabelige afhandling: Brix, H., Arias, C.A. & Del Bubba, M. (2001): Media selection for sustainable phosphorus removal in subsurface flow constructed wetlands. – Water, Science and Technology (in press).

6.1 Materialer og metoder

6.1.1 Undersøgte materialer

Følgende materialer blev undersøgt:

1. et granuleret kalcit produkt der markedsføres som hvidt kattegrus;
2. knust norsk marmor som også er anvendt i det grønne renseanlæg i Utterselv Mose (Gervin & Brix, 2000);
3. et granuleret og brændt moler produkt der bl.a. sælges som rødt kattegrus;
4. LECA
5. granuleret vermikulit der bl.a. anvendes som vækstmedium i gartnerier.

En række andre materialer blev også undersøgt initielt, men blev udeladt af de videre undersøgelser hovedsageligt pga. deres fysiske egenskaber (herunder hydraulisk ledningsevne og fysisk stabilitet af granulater), som gjorde dem ubrugelige som medium i beplantede filteranlæg.

6.1.2 Karakterisering af materialer

6.1.2.1 Tekstur

Materialernes kornstørrelsesfordeling blev undersøgt efter samme procedure som beskrevet for sand (se afsnit 5.1.2.1).

6.1.2.2 Porøsitet og volumenvægt

Materialernes porøsitet blev bestemt efter samme procedure som beskrevet for sand (se afsnit 5.1.2.2).

6.1.2.3 Vandledningsevne

Materialernes vandmættede hydrauliske ledningsevne blev bestemt efter samme procedure som beskrevet for sand (se afsnit 5.1.2.3).

6.1.2.4 Mineralindhold

Koncentrationen af fosfor (P), jern (Fe), kalcium (Ca), aluminium (Al) og magnesium (Mg) blev bestemt i kornstørrelsesfraktionen <2 mm efter samme procedure som beskrevet for sand (se afsnit 5.1.2.4).

6.1.3 Fosforbindingskapacitet

6.1.3.1 Fosfor isoterm eksperimenter

Cirka 5 g materiale (kun 1 g for kalcit) blev indvejet i 200-ml polyethylenflasker og inkuberet efter samme procedure som beskrevet for sand (se afsnit 5.1.3.1).

6.1.3.2 Kolonne eksperimenter

Kolonner fremstillet fra 1-liter polyethylen flasker (diameter 95 mm) blev pakket med ca. 700 cm³ materiale (n=2) og belastet efter samme procedure som beskrevet for sand (se afsnit 5.1.3.2). Kolonner indeholdende kvartssand iblandet 5 og 10% kalcit og norsk marmor blev også undersøgt.

Figur 6-1
Forsøgsopstilling til kolonne eksperimenter (Foto: C. Arias)

6.2 Resultater

6.2.1 Karakterisering af materialer

6.2.1.1 Fysiske karakteristika

De undersøgte materialer havde alle en tekstur og vandledningsevne der gør dem potentielt anvendelige som medier i beplantede filteranlæg (Tabel 6-1).

Tabel 6-1
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)

6.2.1.2 Mineralindhold

Indholdet af fosfor (P), jern (Fe), kalcium (Ca), aluminium (Al) og magnesium (Mg) i de undersøgte er vist Tabel 6-2. Ligevægts-pH og ledningsevne for kalcit er højt formodentligt fordi der sker nogen opløsning af stoffet i væsken. Kalcit og marmor indeholder henholdsvis 24 og 38.9% kalcium. LECA og vermikulit har et forholdsvist højt indhold af jern (henholdsvis 1.4 og 4.4%). Vermikulit har endvidere et højt indhold af magnesium (12.5%) og aluminium (4.3%).

Tabel 6-2
Ligevægts pH og ledningsevne i hanevand samt indhold (mg/g tørvægt) af fosfor (P), jern (Fe), kalcium (Ca), aluminium (Al) og magnesium (Mg) i de undersøgte materialer. Alle værdier er gennemsnit af dobbeltanalyser.

6.2.2 Fosfor-isoterm eksperimenter

De undersøgte materialers evne til at fjerne fosfor fra de P-holdige opløsninger varierede betydeligt (Figur 6-2). Materialer med et højt indhold af kalcium (Kalcit og Marmor) fjernede væsentlige mere fosfor fra opløsningerne sammenlignet med de andre undersøgte materialer, og også væsentlig mere end den mest effektive af de naturligt forekommende sande (Darup). Vermikulit, brændt moler og LECA var dårlige til at binde fosfor.

Figur 6-2
Mængden af fosfor (P) fjernet fra inkuberingsvæsken (adsorberet til materalerne) plottet mod ligevægtskoncentration i væsken efter 20 timers ekvilibrering. Lodrette linier angiver minimum og maksimumværdier (n=2 eller 3).

6.2.3 Kolonne eksperimenter

Kolonnernes evne til at tilbageholde fosfor aftog med tiden og mest for kolonnerne med lavest bindingsevne (kvatssand, vermikulit, LECA og 5 og 10% marmor). Kolonner der indeholdt kalcit var mest effektive til at tilbageholde fosfor (Figur 6-3). Effektiviteten aftog dog svagt efter nogen tid og mest ved kolonnen med kun 5% kalcit. Renseeffekten for brændt moler og 100% marmor aftog gradvist gennem forsøget, men fjernelsesraten var dog stadig 60-70% ved forsøgets afslutning. Desværre blev forsøget afsluttet inden kolonners fosfor bindingskapacitet var fuldstændig brugt op, og derfor kan materialernes kapacitet ikke endeligt fastsættes.

6.3 Diskussion

Blandt de undersøgte kunstige medier var de kalcium-holdige materialer (kalcit og marmor) mest effektive til at binde fosfor. Brændt moler kunne også binde fosfor effektivt, men en opholdstid på 12 timer i kolonnerne er formodentlig for kort reaktionstid. LECA og vermikulit var ikke effektive til at binde fosfor.

Se her!

Figur 6-3
Sammenhæng mellem mængden af fosfor fjernet (% af indløbs-koncentration) og akkumuleret fosforbelastning i kolonneforsøgene. Kolonnerne blev belastet kontinuert i 12 uger med en 10 mg/l P opløsning. Vandets opholdstid i kolonnerne var 12-14 timer. Kurverne er gennemsnit for to kolonner af hver substrattype.

I Norge markedsføres et LECA produkt under navnet FILTRALITEä til binding af fosfor. Jenssen et al. (1991) har i laboratorieundersøgelser fundet at 0-4 mm FILTRALITE har en P-bindingskapacitet på optil 4.5 kg P/m³. Zhu et al. (1996) undersøgte ti forskellige fabrikater af LECA, og fandt at fosfor-bindingen varierede to størrelsesordener, bl.a. afhængigt af den kemiske sammensætning af det lermineral, som LECA produceres ud fra de forskellige steder, samt hvilke tilsætningsstoffer, der anvendes under fabrikationsprocessen. Især produkter med et højt metalindhold (højt indhold af især kalcium) og derfor et højt pH, havde størst bindingskapacitet. Fosforbindingen ved inkubering ved 320 mg P/l var dog af samme størrelsesorden som for de undersøgte naturlige sande i denne undersøgelse. Der er således stor forskel på forskellige LECA produkters fosforbindingsevne afhængigt af produktionssted og produktionsmåde. Sammenholdes vore undersøgelser med data fra literaturen (Zhu et al., 1996), kan det imidlertid konkluderes, at alle undersøgte LECA produkter øjensynlig er dårligere til at binde fosfor end f.eks. kalcit og norsk marmor. Fosforbindingsevnen for det norske FILTRALITE svarer nogenlunde til fosforbindingsevnen af den bedste halvdel af naturlige sande undersøgt i dette projekt.

Undersøgelserne viser, at især kalcit synes at være velegnet til at øge fosforbindingskapaciteten i substratet af beplantede filteranlæg. Kalcit kan enten blandes i filtermediet ved konstruktionen af anlægget, eller alternativt kan der etableres en separat filterenhed baseret på kalcit til binding af fosfor. I så fald ville filterenheden kunne udskiftes med mellemrum når fosforbindingskapaciteten er brugt op.

Vore mere vidtgående undersøgelser af kalcit tyder på at fosforbindings-kapaciteten er af størrelsesordenen 25 kg P m^-3. Det betyder, at der skal anvendes ca. 30 kg kalcit pr PE pr år for at overholde udlederkrav.

Afløbet fra kolonnerne med kalcit havde initialt forhøjet pH, men efter kort tid faldt pH til normalt niveau. Dette var især udtalt for kolonnerne der indeholdt rent kalcit. Derfor er det formodentligt ikke hensigtsmæssigt at etablere et kalcitfilter som sidste led i renseprocessen. Der bør etableres et filter efter kalcitfilteret til at neutralisere pH og til at fjerne kalcium-fosfat udfældninger, der måtte dannes som følge af opløsning af kalcit. Disse forhold bør undersøges nærmere.