Fjerning av fosfor fra avløpsvann

For hånd

Lest inn av KI og ikke kontrollert manuelt enda — kan inneholde feil.

Utslipp av fosforholdig avløpsvann fra landbruk og husholdninger til innsjøer og fjorder kan føre til dårlig vannkvalitet. Det er derfor et krav om rensing av slikt avløpsvann. I Norge fjernes i snitt 66 % av fosforet, og i 2020 var det totale utslippet av fosfor etter rensing 1480 tonn. [1]

Fosfor i ulike fosfatforbindelser er både et viktig næringsstoff for planter og en begrenset ressurs. Avfallet fra renseprosessen bør derfor gjenvinnes og brukes som gjødsel og til jordforbedring i landbruket.

Kjemisk rensing

I mange renseanlegg fjernes fosforforbindelser ved kjemisk rensing. Avløpsvannet tilsettes lettløselig aluminiumsulfat, $A l_{2} {(S O_{4})}_{3}$ , og fosfor blir felt ut i form av fosfat, $P O_{4}^{3 -}$ . Avløpsvannet er svakt surt, og mye av fosforet finnes som dihydrogenfosfat, $H_{2} P O_{4}^{-} (a q)$ . Derfor tilsettes avløpsvannet natriumhydroksid, $NaOH$ , til pH cirka 12 før man tilsetter aluminiumsulfat. Natriumhydroksid, $NaOH$ , framstilles i stor skala ved elektrolyse av en vannløsning av natriumklorid, $NaCl$ .

For å få felt ut tilstrekkelig mengde fosfat fra avløpsvannet må man i praksis bruke minst dobbel stoffmengde aluminium i forhold til fosfat. Det er fordi ionene av aluminium også binder seg til blant annet $O H^{-}$ . Saltet aluminiumhydroksid, $A l {(O H)}_{3}$ , har lavest løselighet ved pH 5,7–6,7 og løses både i sure og basiske løsninger. Ved høy pH innstiller denne likevekten seg:

A l {(O H)}_{3} (s) + O H^{-} (a q) ⇌ {[A l {(O H)}_{4}]}^{-} (a q)

Før det rensede vannet slippes ut, må pH-en reguleres ned. [2]

Biologisk rensning

Det er nylig blitt utviklet en ny renseprosess der fosforforbindelser blir renset ved hjelp av fosforspisende bakterier. Bakteriene vokser på små plastbiter som avløpsvannet føres gjennom. På plastbitene danner det seg en fosforholdig biofilm som etter hvert løsner og blir en del av avløpsslammet. Fosforet gjenvinnes fra slammet som struvitt. Struvitt er en krystall bestående av ammonium, magnesium og fosfat, $N H_{4} M g P O_{4} \cdot 6 H_{2} O$ . En fordel med denne renseprosessen er at man reduserer bruken av kjemikalier kraftig. I tillegg kan fosforet som gjenvinnes gjennom denne prosessen, lettere tas opp av plantene enn fosfor som felles ut ved kjemisk rensing. [3]

Skriv en kjemifaglig tekst som tar utgangspunkt i fjerning av fosfor fra avløpsvann. Du skal bruke kjemikompetansen din til å gjøre rede for og drøfte ett eller flere av punktene nedenfor:

fellingsreaksjoner i den kjemiske renseprosessen
behovet for pH-regulering i den kjemiske renseprosessen
kjemikaliemengden i renseprosessene med bakgrunn i prinsippene for grønn kjemi
sammenligne renseprosessene med bakgrunn i prinsippene for grønn kjemi

Svaret ditt bør inneholde reaksjonsligninger, utregninger eller figurer der det er relevant. Svaret bør være på omtrent 250 ord.

Referanser

[1] Statistisk sentralbyrå, «1 480 tonn fosfor fra norsk avløpssektor», 13.10.2021. https://www.ssb.no/natur-og-miljo/vann-og-avlop/statistikk/utslipp-og-rensing-av-kommunalt-avlop/artikler/1-480-tonn-fosfor-fra-norsk-avlopssektor
[2] H. Ratnaweera, «Fosforgjenvinning fra avløpsvann – bør vi bygge om våre renseanlegg?», innlegg på fagtreff i Norsk vannforening, 2013.
[3] Hias, 2022. https://www.hias.as/

Fasit

Fosfat felles som tungt løselig aluminiumfosfat: $A l^{3 +} (a q) + P O_{4}^{3 -} (a q) \to A l P O_{4} (s)$ .
Høy pH trengs for å deprotonere $H_{2} P O_{4}^{-}$ og $H P O_{4}^{2 -}$ til $P O_{4}^{3 -}$ (p $K_{a} = 7,21$ og $12,32$ ).
$A l^{3 +}$ felles også som $A l {(O H)}_{3} (s)$ . Derfor trengs overskudd av aluminium.
$A l {(O H)}_{3}$ er amfotert og løses som ${[A l {(O H)}_{4}]}^{-}$ ved pH 12. pH senkes til ca. 6 før utslipp, slik at aluminiumet havner i slammet.

LøsningsforslagKI-generert

Denne teksten handler om fellingsreaksjonene i den kjemiske renseprosessen og om hvorfor pH må reguleres. For mye fosfat i vann gir algeoppblomstring og oksygenmangel.

Aluminiumsulfat er lettløselig og gir $A l^{3 +}$ i vannet. Aluminiumfosfat er svært tungt løselig, med $K_{sp} = 9,84 \cdot 10^{- 21}$ . Fosfatet felles derfor ut:

A l^{3 +} (a q) + P O_{4}^{3 -} (a q) \to A l P O_{4} (s)

Fellingen krever $P O_{4}^{3 -}$ . I svakt surt vann finnes fosforet mest som $H_{2} P O_{4}^{-}$ . Dette ionet har p $K_{a} = 7,21$ , og $H P O_{4}^{2 -}$ har p $K_{a} = 12,32$ . pH må derfor høyt opp før protonene fjernes:

\begin{matrix} H_{2} P O_{4}^{-} (a q) + O H^{-} (a q) & \to H P O_{4}^{2 -} (a q) + H_{2} O (l) \\ H P O_{4}^{2 -} (a q) + O H^{-} (a q) & ⇌ P O_{4}^{3 -} (a q) + H_{2} O (l) \end{matrix}

Ved pH 12 er $[P O_{4}^{3 -}] / [H P O_{4}^{2 -}] = 10^{12 - 12,32} \approx 0,5$ . Når $A l P O_{4}$ felles ut, forskyves likevekten mot høyre. Da dannes mer $P O_{4}^{3 -}$ .

Høy pH har også en ulempe. $A l^{3 +}$ reagerer med hydroksidioner:

A l^{3 +} (a q) + 3 O H^{-} (a q) \to A l {(O H)}_{3} (s)

Ved pH 12 er det langt flere $O H^{-}$ enn fosfationer. Reaksjonen konkurrerer derfor med fosfatfellingen. En del av aluminiumet går altså med til hydroksid. Derfor trengs minst dobbel stoffmengde aluminium.

$A l {(O H)}_{3}$ er amfotert. Ved pH 12 løses det som ${[A l {(O H)}_{4}]}^{-}$ . Vannet er da sterkt basisk og inneholder løst aluminium. Begge deler skader livet i resipienten. Før utslipp tilsettes syre til pH ca. 6, for eksempel svovelsyre eller karbondioksid:

{[A l {(O H)}_{4}]}^{-} (a q) + H_{3} O^{+} (a q) \to A l {(O H)}_{3} (s) + 2 H_{2} O (l)

Ved pH 5,7–6,7 har $A l {(O H)}_{3}$ lavest løselighet. Aluminiumet havner da i slammet. pH må heller ikke bli for lav. I sur løsning løses hydroksidet igjen som $A l^{3 +}$ .

pH-reguleringen er altså en balanse. Høy pH gir fosfat som kan felles. Nær nøytral pH til slutt holder aluminiumet ute av resipienten.

Sensorveiledning

Oppgaven tester både evnen til å lese og skrive i kjemi. Våren 2024 er fagteksten i oppgaven ganske krevende å lese, så selv en riktig gjengivelse bør gi litt uttelling. Det er først og fremst kjemifaglig kompetanse som skal vurderes i oppgaven.

*Feil navn i oppgaveteksten, aluminiumoksid skal være aluminiumhydroksid. Ulik skrivemåte av ${[A l {(O H)}_{4}]}^{-}$ / $A l {(O H)}_{4}^{-}$ i bokmål- og nynorskversjonen. Sensuren må ta hensyn til dette.

20 %: Omskriving av oppgaveteksten uten klart eget bidrag. Svaret gjenspeiler en delvis riktig forståelse av noe av det kjemifaglige innholdet i oppgaveteksten. Grønn kjemi: Nevner prinsippene for grønn kjemi.

40 %: Gjengivelse av oppgaveteksten viser en riktig forståelse. Noe relevant kjemi beskrives ut over oppgaveteksten (f.eks. noen riktige fellingsreaksjoner eller syre-basereaksjoner). Grønn kjemi: Minst ett relevant prinsipp er tatt med og helt eller delvis riktig brukt i konteksten avløpsrensing.

60 %: Det vises egen kjemiforståelse ut over oppgaveteksten. Oppgaven er gjerne avgrenset og har noen kjemifaglig begrunnede resonnementer. Eventuelle reaksjonslikninger og beregninger i forklaringen er stort sett korrekte. Grønn kjemi: Prinsippene for grønn kjemi er stort sett riktig forstått og brukt.

80 %: Det vises egen kjemiforståelse ut over oppgaveteksten og oppgaven er avgrenset og fokusert. Resonnementer er kjemifaglig begrunnet. Eventuelle reaksjonslikninger og beregninger i forklaringen er korrekte. Grønn kjemi: Kandidaten har gjort et relevant utvalg av prinsipper og bruker dem på en riktig måte i konteksten.

90 % og mer: Oppgaven er avgrenset, har tydelige argumenter og logisk struktur. Informasjon i oppgaven og/eller egen kunnskap brukes selvstendig i presise forklaringer og begrunnelser. Kandidaten bruker korrekte reaksjonslikninger og beregninger til å støtte opp under resonnementer. Grønn kjemi: Kandidaten har gjort et relevant utvalg av prinsipper og bruker dem på en riktig og selvstendig måte i konteksten.

Vedlegg

Vedleggene i oppgavesettet til Kjemi 2 V2024. De kunne brukes på hele eksamen, også del 1 (om hjelpemidlene).

Åpne på egen side: Tabeller og formler i kjemi

Oppgavedata

Hentet fra: Kjemi 2 V2024, del 2, oppgave 9
Del: Del 2, alle hjelpemidler — les om hjelpemidler
Hjelpemidler: Kalkulator
CAS
Graftegner og regneark
Lærebok, formelsamling og egne notater
Ikke åpent internett, kommunikasjon med andre eller kunstig intelligens.
Kategori: 3
Vanskegrad: 3
Temaer: Fellingsreaksjoner, Grønn kjemi, Miljøkjemi

Fjerning av fosfor fra avløpsvann

Innstillinger

Utseende

Oppgaver og visning

Utskrift

Synkronisering

Sync på tvers av enheter

Fjerning av fosfor fra avløpsvann

Lov på eksamen

Kan den løses uten PC?

Forstå oppgaven med en KI

Tastatursnarveier

Navigasjon

I oppgave

Fjerning av fosfor fra avløpsvann

Fjerning av fosfor fra avløpsvann

Lov på eksamen

Kan den løses uten PC?

Temaer