Slam fra vannverk og sirkulærøkonomi - Hvilke muligheter finnes for reduksjon, gjenbruk og gjenvinning?

Transkript

1 Slam fra vannverk og sirkulærøkonomi - Hvilke muligheter finnes for reduksjon, gjenbruk og gjenvinning? Herman Helness, SINTEF Norsk Vann fagtreff 24. oktober 2018, Thon Hotel Oslo Airport herman. helness@sintef.no

2 Hva er sirkulær økonomi? Frikoble ressursforbruk fra økonomisk vekst Økt ressursutnyttelse Høyest mulig verdi på produkter, materialer og ressurser Overgang fra lineære verdikjeder til lukkede kretsløp Innovativ produktdesign og materialbruk. Source: European Parliament

3 3 Prinsipper fra avfallsbransjen

4 Sirkulære system Sirkulær ressursflyt på ulike nivå Direkte lokal gjenbruk Gjenbruk i teknisk prosess Gjenbruk via naturen Koblinger til andre deler av sirkulær økonomi Komplekse system Nødvendig med helhetlig vurdering av bærekraft i løsningene 4

5 Slammengder Slamproduksjon er proporsjonal med dosering av metallkoagulant 2.5 g TS/g Fe eller g TS/g Al Ved kombinasjon med marmorfilter i koaguleringsenheten: 20-40% ekstra Estimat for slammengde i Norge fra koaguleringsanlegg (forutsetninger uthevet) Utgangspunkt i et eksempel vannverk for ' pe med 4.3 m3/sek, og 3-4 mg TOC/l i råvann som krever en koagulentdosering på 3.8 g Fe/m3 i en optimalisert prosess 2.5 g TS/g Fe x 3.8 g Fe/m3 = 9.5 g TS/m3 Bruk av Al-koagulanter gir tilsvarende estimat selv om dosering i mg Al/l er forskjellig p.g.a. annen omregningsfaktor. 2.5 mill pe x 200 l/pe x 10-3 m3/l x 365 d/år = 183 mill m3/år 10 % til "tap" i prosessen (spylevann og modning) gir brutto vannproduksjon på 203 mill m3/år 9.5 g TS/m3 x 203 mill m3/år x 10-6 tonn/g = tonn TS/år Þ1 900 tonn TS/år eks. bidrag fra alkalisk filter i vannverk med "Moldeprosessen" Usikkerhet i estimatet, men indikerer størrelsesorden Til sammenligning: fra avløpsrensing er det i overkant av tonn TS/år (MDIR, 2015) 5

6 Slamsammensetning Gitt estimert slammengde: tonn TS/år 1-2 % TS i fortykket slam => m3/år Sammensetning: % Fe i TS => tonn Fe/år (hvis alt slam var fra anlegg med Fe-koagulant) % Al i TS => tonn Al/år (hvis alt slam var fra anlegg med Al-koagulant) Ved lik dosering i mol Me/l gir bruk av jern andre verdier for % i TS og potensiell mengde til gjenvinning p.g.a. annen molvekt. Andre parametere: Organisk stoff: ~35-60 % av TS Nitrogen og fosfor: Lavt innhold (hhv. ~1 % N og 0.1 % P i TS) i vannverkslam sammenlignet med avløpsslam Tungmetaller: Lavere/tilsvarende konsentrasjoner som i avløpslam avhengig av metall og korrosjon Patogene mikroorganismer: Ikke i fokus i rapporterte studier normalt lavere enn avløpsslam, men kan forekomme ved forurensing av råvannskilden Norske råvannskilder med humus, lite partikler og lav hardhet Andre verdier i utenlandske studier med høyere hardhet og mer uorganiske partikler 6

7 Reduksjon av slammengder - 1 Slam bør ses på som en ressurs reduksjon av slammengden er allikevel den første av de 3 r'ene (reduce, reuse & recycle). Tørrstoffet (TS) i slam består i hovedsak av humus (og ev. partikler) som fjernes fra vannet og utfellingsprodukter ved bruk av metallsalter (Al, Fe) til koagulering. Ved Moldeprosessen også bidrag fra marmorfiltermassen. Reduksjon av koagulantdose = reduksjon av slammengde Punkt 1, sørg for optimalisert drift Opplagt, men studier har vist potensiale for redusert koagulantdose på opptil 40% (Eikebrokk, 2018) 7

8 Optimalisert drift Omfattende studier i ulik skala Modeller for absolutt og praktisk minimum dosering 8 Veileder og håndbok

9 Reduksjon av slammengder - 2 Potensiale for redusert slamproduksjon med alternative koagulanter. Ved bruk av kitosan kan mengden slam bli redusert ned til rundt en fjerdedel. (bl.a. Christensen 2017) Koagulantkostnad og tilgjengelighet kan være begrensende. Kostnader ved slambehandling/-disponering må tas med i en helhetsvurdering Reduksjon i slammengde også ved gjenvinning av metallkoagulant Omtales i gruppen av muligheter for materialgjenvinning 9

10 Gjenbruk av vannverksslam til jordforbedring - 1 NIBIO (Brod og Knapp Haraldsen (2017) Vannverkslam er sammenlignbart med torv når det gjelder innhold av plantenæringsstoffer Inneholder fellingskjemikalier (aluminiumsalter) og andre tilsetningsstoffer fra rense- og slambehandlingsprosessen Vannverkslam vil binde noe fosfor fra andre kilder, men noen typer vannverkslam er tilsatt finmalt kalkingsmiddel som bidrar til å oppheve den sterke bindingen av fosfat til aluminium. Vannverkslam egner seg til bruk i anleggsjord til grøntanlegg Dosering til ønsket nivå av organisk materiale og tilsetter i tillegg et mer næringsrikt organisk avfallsmateriale Utfordringen vil være behandle vannverksslammet slik at det blir blandbart med andre jordmaterialer 10

11 Gjenbruk av vannverksslam til jordforbedring Internasjonale studier flere om slam fra Al-basert koagulering i K.B. Dassanayake et al. (2015) Jordforbedring i landbruk Forbedre jordstruktur, porøsitet, hydraulisk ledningsevne, evne til å holde på vann, orgqnisk innhold og næringssalter, kan reduserer P-avrenning Potensielle begrensinger knyttet til økt saltinnhold, giftighet av Al og andre metaller, men flere studier konkluderer at dette ikke er problem i de fleste tilfelle Flere studier med ulike avlinger av kort varighet behov for langtidsforsøk Plantejord Torverstatning og bruk av en fornybar ressurs Bruk i blanding med avløsslam Positiv effekt avhengig av blandingsforhold, dosering og ph (mais produksjon)

12 Gjenbruk av vannverksslam til rensing Adsorpsjon av tungmetaller Bl.a. kvikksølv, bly, selen, arsen, krom og kobber =>Mulig bruk i spesielle industrielle applikasjoner? I naturbaserte løsninger Substrat i konstruerte våtmarker (adsorpsjon av fosfor) =>Mulig bruk i løsninger for overvann/avrenning? Dosering som "fellingsmiddel" i avløpsrensing Skjer indirekte ved påslipp til avløpsledning Potensielt redusert kjemikaliebruk i avløpsrensing Overfører slambehandlingsproblematikk fra vannverk til avløpsrenseanlegg 12

13 Gjenbruk av vannverksslam Direkte gjenbruk er utnyttelse av vannverksslam som en ressurs, men eksemplene foran er egentlig ikke tydelige (lokale) sirkulære system Inkluderer til dels naturen i sirkelen Kan være vanskelig å angi økonomisk verdi på ressursen vannverksslammet er Direkte bruk i rensing kan føre til at vannverksslammet ender som avfall i et annet system/prosess, eller stjeler kapasitet (jfr. eks. med tungmetaller eller tilførsel til avløpsrenseanlegg) 13

14 Gjenvinning av koagulant - 1 Bidrar både til reduksjon og gjenvinning Gir både resirkulering av koagulant og potensielt enklere disponering av resterende slammende Problemstilling rundt resirkulering av organisk stoff og tungmetaller (avh. av prosess) Oppløsing av metallutfelling ved endring av ph Surgjøring med svovelsyre, ev. også heving av ph for Al Videre foredling/behandling for å øke koagulantkvaliteten Filtrering for å fjerne fast stoff/partikler 14 Gir ikke selektiv gjenvinning av koagulant i forhold til andre oppløste forbindelser Membranfiltrering UF for separasjon av Me3+ og NOM (90% permeabilitet for Me3+, 50-66% tilbakeholdelse for TOC) Også mer avanserte prosesser med flere trinn rapportert Beleggdannelse og vedlikehold av kapasitet i forhold til kostnader

15 Gjenvinning av koagulant - 2 Videre foredling/behandling for å øke koagulantkvaliteten (forts.) Ionebytting Både kationbytting for gjenvinning av Me3+ og anionbytting for DOC fjerning er mulig Kinetikk og kjemikalier til gjenvinning av brukt inoebyttermesse begrenser anvendelse Ioneselektiv membran med elektrokjemisk drivende kraft > 70% gjenvinning rapportert for både Al3+ og Fe3+ Lav flux, syreforbruk, behov for nøytralisering av slamstrømmen etter gjenvinning av Me3+ og krev til DOC i gjenvunnet koagulant er utfordringer Elektrodialyse Ikke brukt i koagulant gjenvinning, men kjent fra industri Potensielt høy gjenvinning (90 %) og mer kompakt enn likevektsdrevne prosesser Energiforbruk og fouling er utfordringer. Keeley et al

16 Gjenvinning av koagulant ulik bruk Gjenvinning til bruk på vannverket Krever gjenvinningsprosess som øker kompleksiteten i anlegget, og en viss skala for å gi økonomisk lønnsomhet Spørsmål rundt resirkulering av DOC og kvalitet på renset vann i forhold til krav Gjenvinning for bruk i avløpsrensing Gode resultater rapportert for ytelse (renseeffekt og også på slamavvanning) Transport fra vannverk/sted for gjenvinningsanlegg må tas hensyn til ved vurdering av bærekraft Kost nytte vurdering av grad av forbehandling og sted Flytter problemstillinger til avløpsanlegget, og spørsmålene omkring kompleksitet og skala for lønnsomhet vil fremdeles være relevante 16

17 Gjenvinning til energi bruk i biogassanlegg Utnyttelse av vannverksslam til biogassproduksjon Internasjonale studier rapporterer om økt biogassproduksjon ved co-fermentering av vannverkslam med matavfall og avløpsslam Avhengig av innblandingsforhold Virkning tilskrevet tilførselen av uorganiske komponenter Humus innholdet vil trolig være en tungt nedbrytbar del av det organiske stoffet Samme effekt med norsk sammensetning av vannverksslam? Avvanningsegenskapene til utråtnet slam ikke påvirket av innblanding av vannverkslam i avløpsslam Transport fra vannverk/sted for gjenvinningsanlegg må tas hensyn til ved vurdering av bærekraft

18 Gjenvinning til energi bruk i biogassanlegg - 2 Kan forbehandling gi økt ressursgjenvinning? Forbehandling av vannverksslam med termisk hydrolyse (Kjørlaug Svennevik, 2018) Med Cambi Solidstream (termisk hydrolyse etter råtnetanken) kan vannverksslammet forbehandles og potensielt lettere nedbrytbart organisk stoff returneres til råtnetanken med sentratet fra sentrifugen Mindre belastning på råtnetanken enn ved tilførsel til renseanlegget med avløpsvann eller innblanding i avløpsslam før råtnetanken Sterilisert slamkake med økt humusinnhold Påvirkning fra koagulantinnhold? Drift av råtnetank Biogassproduksjon 18 Avvanning Cambi, 2017

19 Gjenvinning både av koagulant og til energi Se etter løsninger som gir "høyest mulig verdi på produkter, materialer og ressurser" jfr. prinsipper i sirkulær økonomi 19 Kan kombinasjon av koagulantgjenvinning fulgt av termisk forbehandling av resterende vannverksslam gi god ressursutnyttelse? Delvis gjenvinning av koagulant til bruk i avløpsrenseprosessen => Redusert bruk av koagulant gir lavere CO2-fotavtrykk Økt bidegraderbarhet av humus i vannverksslammet => Bidrag til økt biogassproduksjon

20 Gjenvinning i konstruksjonsmaterialer Bruk av vannversslam i produksjon av konstruksjonsmaterialer er rapportert i flere studier. Betong Pusse mørtel Teglstein Det er en mulig utnyttelse av både organisk og uorganisk del av slammet - relativ betydning vil variere med sammensetning og produkt Rapportert om fin farge på teglprodukter Effektiv binding av tungmetaller Mekanisk styrke på produktet reduseres med økende innblandingsandel Kun bruk i ikke bærende konstruksjonsdeler Kan kreve endrede betingelser i produksjonsprosessen Høyere sintringstemperatur for god håndtering av tungmetallinnhold Vanninnhold i slammet har betydning

21 Eksempel fra studie av tilsetting i sement 21 Slam fra behandling av råvann fra elv (Ahmad et al. 2018; N.H. Rodríguez et al., 2010) Polyaluminiumklorid Tørket, siktet (90 my), 800 oc, 1 time Erstattet 10, 15, 20 og 25 % av sementinnhold i mørtel Mørtelegenskaper før herding påvirket av andel vannverkslam, bl.a. økt vanntilsetning for standard konsistens Innenfor det som var akseptabelt for bruk Kompresjonsstyrke redusert for alle innblandinger, men innenfor krav for innblanding opp til 20 % 25 % innblanding ga lavere styrke enn kravene for alle herdetider (2, 7 og 28 dager) Økt permeabilitet og vannabsorpsjon etter 28 dagers herding med økende andel vannverksslam Redusert styrke sammenlignet med referansemørtel Konklusjon at vannverksslam kan blandes i mørtel med en andel tilpasset krav til styrke/bruk Uproblematisk i ikke bærende deler av en konstruksjon

22 Gjenvinning i konstruksjonsmaterialer - 2 Tilsvarende i andre internasjonale studier (f.eks. Rodríguez et al., 2010), men resultatene er fra slam med høy (85-90 %) andel uorganiske forbindelser Vil høyere andel organisk stoff i norsk slam påvirke? Hva med transport av vannverksslam til produksjonssted for konstruksjonsmaterialer? 22 Mer aktuelt med lokale løsninger der man søker å bruke gjenvunnet koagulant i avløpsbehandling eller slambehandling og resterende del av slam i jordblandinger eller til energigjenvinning?

23 Oppsummering og konklusjoner 23 Vannverksslam bør sees på som en ressurs i en sirkulær økonomi Muligheter finnes for bedre ressursutnyttelse enn håndtering som avfall Utfordringer teknisk og med skala for god bedriftsøkonomi Løsninger utviklet for vannverkslam med høyere innhold av uorganisk materiale enn typisk i Norge må tilpasses norsk slamkvalitet Se etter løsninger som gir "høyest mulig verdi på produkter, materialer og ressurser" jfr. prinsipper i sirkulær økonomi Realisering av mulighetene vil kreve innovasjon både av tekniske løsninger og i verdikjedene Løsninger som gir flere fordeler med hensyn til ressursutnyttelse Mer helhetlig syn på kostnadsbildet enn tradisjonell bedriftsøkonomisk kost nytte

24 Teknologi for et bedre samfunn