Reactive Filter Materials for Removal of Phosphorus in Small Scale Wastewater Treatment Plants

An excessive input of nutrients to lakes and other water bodies has created a problem with eutrophication in Sweden. Untreated, or partially treated, domestic sewage is a major source for discharge of phosphorus (P), which is the nutrient most frequently responsible for eutrophication of most fresh waters and the Baltic Sea. The waste water can be cleaned by filter materials, which have a high P-retention ability and which after saturation may be used as fertilizers. Four potentially suitable filter materials were tested in batch- and column experiments in this study. In the batch experiments, the following materials were shaken with waste water in time series ranging from 5 seconds to 60 minutes: coarse (1-4 mm) and fine (0-2 mm) Polonite® (heated bedrock from Poland); Filtralite® (light expanded clay aggregates with limestone added before burning); water cooled blast furnace slag (BF-slag) and BF-slag mixed with 10% burned limestone. In the column experiment, the phosphorus sorption capacity in BF-slag and BF-slag mixed with burned limestone was observed under saturated and unsaturated flow conditions for 10 weeks. The waste water used in both experiments originated from the full scale testing site at Ångersjön in Sweden. After the column experiment was ended, the filter materials were investigated with XRD (X-ray diffraction) and SEM (scanning electron microscope) in order to figure out which chemical reactions that had taken place. The results from the batch experiments show that fine Polonite® and BF-slag mixed with limestone have the fastest P sorption capacity. Already after 5 seconds of shaking the materials showed effective retention of P. The coarse Polonite®, Filtralite® and BF-slag showed similar sorption capacities, although the coarse Polonite® tended to be somewhat inferior. The column studies showed that the materials used in the columns had a sorption capacity of 98 % or more. The XRD and SEM indicated that an amorphous calcium-P-compound was created in the filter material.I Sverige är reningen av fosfor i vatten från enskilda avlopp ofta bristfällig, vilket bland annat kan leda till övergödning av sjöar, hav och vattendrag. Sedan några år tillbaka har olika filtermaterial med speciella reaktiva egenskaper, som bland annat avskiljer fosfor från avloppsvatten, undersökts. Tanken med filtermaterialen är att de efter mättnad med näringsämnen ska kunnas användas som jordförbättringsmedel. I denna rapport har några olika filtermaterial, lämpade för fosforavskiljning, undersökts genom skak- och kolonnförsök. I skakförsök, där skaktiderna varierade mellan 5 sekunder och 60 minuter, testades Polonite®, Filtralite®, Hyttsand och Hyttsand blandad med 10 % bränd kalk. Polonite® är en upphettad form av bergarten opoka varav två olika kornstorleksfraktioner (0-2 mm och 1-4 mm) användes. Filtralite® och Hyttsand är antropogena filtermaterial. Filtralite® tillverkas i Norge och består av kalkhaltiga kulor av expanderad lera (Leca®). Hyttsand framställs genom vattenkylning av masugnsslagg som bildas vid framställningen av råjärn vid stålverket i Oxelösund. I kolonnförsöken, som utfördes under 10 veckor, studerades Hyttsand och Hyttsand blandad med 10 % bränd kalk under omättade och mättade flödesförhållanden. I samtliga experiment användes avloppsvatten från reningsverket vid Ångersjön, där Filtralite® och Hyttsand testas i fullskala. Efter kolonnförsöken avslutats undersöktes filtermaterialen med XRD (röntgendiffraktion) och SEM (svepelektron mikroskop) för att utreda vilka mekanismer som medverkat vid avskiljningen av fosfor. Resultaten från skakförsöken visade att finkornig Polonite® och Hyttsand blandad med kalk avskiljer fosfor effektivt redan efter skakning i 5 sekunder. Grovkornig Polonite, ren Hyttsand och Filtralite® sorberade fosfor tämligen likartat, även om den grovkorniga Poloniten® tenderade att vara aningen sämre än de övriga. Resultaten från kolonnförsöken visade att fosfor kunde avskiljas till över 98 % i alla kolonner och att det bildats amorfa fosfatföreningar, främst med kalcium, under den 2,5 månader långa experimentperioden