IVL Swedish Environmental Research Institute

Rapporten beskriver etablerade och nya tekniker för kväveåtervinning ur avloppsvatten, och jämför återvinningsmetoderna med andra sätt att tillverka kvävegödsel när det gäller klimatpåverkan och kostnader. Rapporten innehåller också en kort genomgång av möjligheter för återvinning av kalium och svavel och en statusuppdatering av metoder för återvinning av fosfor.

Återvinning av näringsämnen från avlopp i Sverige sker i dag nästan uteslutande genom spridning av avloppsslam på åkermark, men bara cirka en tredjedel av allt slam används på det viset. Avvattnat rötslam innehåller bara cirka 15 procent av det kväve som finns i inkommande avloppsvatten. Det gör att endast några få procent av kvävet återvinns i dag. Ökad återvinning av kväve har därför stor potential. Det finns risk att även den lilla mängden kväve som återförs med slam idag uteblir ifall slamanvändning på åkermark ska förbjudas samtidigt som det blir krav på återvinning av fosfor. De mest intressanta metoderna återvinner fosfor från aska efter slamförbränning, och det innebär att kväveinnehållet går förlorat.

Dagens kväverening sker i huvudsak med biologiska metoder i reningsverkets huvudström. Ett alternativ är att avskilja det kväve som finns i rejektvatten, det vill säga det högkoncentrerade vatten som blir över vid avvattning av rötat slam. Kvävemängden i rejektvattnet är ungefär lika stor som kvävemängden i själva slammet. Kvävet i rejektvatten kan återvinnas till gödselprodukter med olika kemisk-fysikaliska metoder. Om kväve återvinns behöver mindre kväve renas biologiskt. Det sparar energi och minskar utsläppen av växthusgaser, framför allt lustgas. Men kväveåtervinningsprocesser är energi- och kemikalieintensiva, vilket ger indirekta utsläpp av växthusgaser och relativt hög kostnad.

En litteraturstudie visade att ammoniakstrippning (avdrivning av ammoniak i gasfas) och kontaktmembran är de tekniker för kväveåtervinning från rejektvatten som finns i fullskala och som har liknande och relativt hög förbrukning av kemikalier och energi. För spillvattenströmmar som liknar rejektvatten har det testats andra metoder, bland annat termisk strippning av ammoniak med vidare kemisk reaktion med gips eller destillering till ammoniakvatten. Även indunstning och destillation är utvecklade tekniker som har potential för kväveåtervinning.

Konventionell produktion av kvävegödsel är beroende av naturgas för att få energi. Flera tekniker utvecklas nu där förnybar energi kan användas för produktion av ammoniak. Projektet utvärderade klimatpåverkan och kostnader för olika kväveåtervinningsmetoder jämfört med produktion av kvävegödsel från fossila och förnybara energikällor. Återvinningsmetoderna visade stor variation, men några slutsatser kan dras. Driftkostnaden för kväveåtervinning med de etablerade teknikerna (ammoniakstrippning och kontaktmembran) är lite högre än kostnaden för produktion av kvävegödsel från fossila och förnybara energikällor, även när kostnaden för utebliven rening av rejektvatten med de mest kostnadseffektiva biologiska metoder dras av. Däremot är klimatpåverkan från kväveåtervinning lägre än klimatpåverkan från kvävegödselproduktion och biologisk kväverening. Flera nya återvinningstekniker, som till exempel termisk strippning av ammoniak och struvitfällning kombinerad med syrabehandlinging, har potential att ge både lägre kostnad och lägre klimatpåverkan.

Ett alternativ för att återvinna så mycket kväve som möjligt är att införa källsorterande system och separat behandling av klosettvatten eller urin. Även återvinning från den lågkoncentrerade huvudströmmen av avloppsvatten med en jonbytesprocess följt av återvinning med strippning eller kontaktmembran har potential.

The report describes established and new technologies for nitrogen recovery from wastewater and compares the nitrogen recovery methods with other ways of producing nitrogen fertilizer in terms of climate impact and costs. The report also includes a brief review of opportunities for potassium and sulfur recovery and a status update of phosphorus recovery methods.

Recycling of nutrients from sewage in Sweden today takes place almost exclusively by spreading of sewage sludge on arable land, but only about a third of all sludge is used in this way. Dewatered sludge contains only about 15 percent of the nitrogen present in incoming wastewater. This means that only a few percent of the nitrogen is recycled today. Increased nitrogen recovery therefore has great potential. There is a risk that even the minor nitrogen recycling with sludge today will be stopped if sludge use on arable land is to be banned at the same time as the requirement for phosphorus recycling is introduced. The most interesting methods of phosphorus recovery involves  sludge incineration and recovery from ashes, and this means that the nitrogen content is lost during the incineration.

Nitrogen is mainly removed with biological methods in the treatment plant's mainstream today. An alternative is to separate the nitrogen present in reject water, ie the highly concentrated water that remains when dewatering digested sludge. The amount of nitrogen in the reject water is about the same as the amount of nitrogen in the sludge itself. The nitrogen in reject water can be recycled into fertilizer products by various chemical-physical methods. If nitrogen is recycled, less nitrogen needs to be removed biologically, which saves energy and reduces greenhouse gas emissions, especially nitrous oxide. Nitrogen recovery processes are, however, energy and chemical intensive, resulting in indirect greenhouse gas emissions and relatively high cost.

A literature study showed that ammonia stripping and contact membranes are the techniques for nitrogen recovery from reject water that are applied in full scale and have similar and relatively high consumption of chemicals and energy. For wastewater streams similar to reject water, other methods have been tested, including thermal stripping of ammonia with further chemical reaction with gypsum or distillation to ammonia water. Evaporation and distillation are also developed techniques that have the potential for nitrogen recovery.

Conventional production of nitrogen fertilizer depends on natural gas to obtain energy. Several technologies are now being developed where renewable energy can be used for the production of ammonia. The project evaluated the climate impact and costs for different nitrogen recovery methods compared with the production of nitrogen fertilizer from fossil and renewable energy sources. There was a big variation of results for the different recovery methods, but some conclusions can be drawn. The operating cost of nitrogen recovery with the established technologies (ammonia stripping and contact membranes) is slightly higher than the cost of producing nitrogen fertilizer from fossil and renewable energy sources, even when the cost of biological treatment of reject water with the most cost-effective biological methods is deducted. On the other hand, the climate impact from nitrogen recycling is lower than the climate impact from nitrogen fertilizer production and biological nitrogen removal. Several new recycling techniques, such as thermal stripping of ammonia and struvite precipitation with further acid treatment, have the potential to provide both lower cost and lower climate impact.

An alternative for recovering as much nitrogen as possible is to introduce source sorting systems and separate treatment of toilet water or urine. Recovery from the low-concentration main stream of wastewater with an ion exchange process followed by recovery with stripping or contact membranes also has potential.