Archaea AB. -ett innovativt biogaskoncept för framtiden- presenterat av Biogaståget

Transkript

1 Archaea AB -ett innovativt biogaskoncept för framtiden- presenterat av Biogaståget

2 Kortfattad beskrivning av anläggningen Vi har byggt en biogasanläggning i vår kommun för att kunna behandla den mat som våra 104,000 invånare inte konsumerar. Denna kompletterar vi med grödor, gödsel och en vattenväxt som heter Andmat. Som slutprodukt får vi ett naturligt bränsle till kollektivtrafiken och gasdrivna bilar och ett bra biogödsel till lokal åkermark. Anläggningen har en totalomrörd termofil huvudrötkammare på 1800 m 3 med kontinuerligt flöde och tre kombinerade isolerade efterrötkammare/hygieniseringstankar på vardera 130 m 3 som drivs satsvis. Anläggningen har 10 ha andmatsodling som genererar andmat som rötas i anläggningen. Regnvattnet som faller över bassängerna samlas upp och täcker under större delen av året behovet av spol och spädvatten. Vallen placeras i välisolerade fastbäddar som fungerar som ensilagelager och förhydrolys/syrabildning. Processvätska perkolerar genom bäddarna och lakar ur organiska syror. Perkolatvätskan används för att späda matavfallet. Matavfallet måste sorteras sönderdelas och spädas för att bli pumpbart. Spädningen sker till viss del med perkolatvätska från fastbäddar för ensilage och till viss del med processvätska.. Flytgödseln beskickas rötkammaren direkt från mottagningstanken. Andmaten beskickas sommartid direkt via flytgödseltanken. För vinterbruk ensileras andmat i fastbäddar tillsammans med vall. Uppgraderingsanläggningen är en aminoskrubber som årligen producerar fordonsgas med ett energivärde på 14 GWh. Dessutom producerar anläggningen koldioxid som till viss del nyttiggörs i andmatsbassängerna dit den pumpas för att höja tillväxttakten hos andmaten. Uppvärmningen av rötkammaren sker med värmeenergi som återvunnits från uppgraderingsanläggningen. Rötresten används till viss del för att gödsla andmatsbassängerna men det mesta exporteras via rörledningar till satellitlager där traktens bönder kan hämta. 1

3 Innehållsförteckning 1 Lagar och säkerhet Teknisk beskrivning av anläggningen Mottagning och förbehandling Matavfall Sortering Spädning och separering Andmatsbassänger Förbehandling av vall och andmat Ensilering i fastbäddar Hydrolys och syrabildning Mottagning av gödsel Rötkammaren Efterrötkammrarna/hygieniseringstankarna Uppgraderingsanläggningen Drift och underhåll Anläggningens huvudsakliga substrat Matavfall Ensilage Andmat Gödsel Styrning och störning av biogasproduktionen Viktiga processparametrar Styrning av processen Förhydrolysen Rötkammaren Driftstörningar Rötresten Tekniska Krav Krav på slutprodukt Metall Smittskydd Referenser Appendix 1 - Beräkningar Appendix 2 - Mikrobiologi och kemi syrabas balans

4 1 Lagar och säkerhet När man bygger och driver en biogasanläggning så hanterar man gas och substrat som regleras av ett flertal regler och normer. Reglerna för substraten presenteras under respektive substrat senare i rapporten. Förutom alla regler och tillstånd som behövs vid uppförandet av anläggningen som tex. Plan och bygglagen när man ansöker om bygglov samt söka tillstånd enligt Miljöbalken. När det gäller hanteringen av gas (metan i detta fall) så finns massor av regler. Dessa hittar man hos Myndigheten för samhällsskydd och beredskap (MSB) som ständig jobbar på utveckla dessa till skydd för samhället. Dessa regler är tvingande. Några exempel: Lagen om brandfarliga och explosiva varor (LBE) som bäst görs i samarbete med den lokala Räddningstjänsten så inte bara lagen uppfylls utan också de krav och förbättringar som räddningstjänsten tycker behöver uppfyllas. Anläggningen ska också vara EX-klassad. Vilket innebär att man gjort en riskbedömning över områden där explosiv gas kan förkomma vi olika tillfällen. Det ska vara noggrant utmärkt och skyltat. Om anläggningen hanterar miljöfarliga kemikalier så måste man ta hänsyn till Lag (1999:381) om åtgärder för att förebygga och begränsa följderna av allvarliga kemikalieolyckor. Att alla dessa regler och förordningar efterlevs är Gasföreståndarens uppgift. Det ska finnas en sådan på varje anläggning. Han utfärdar dessutom tillstånd för olika arbeten inom anläggningen och tillser säkerheten, i samarbete med räddningstjänsten när så behövs. En bra översikt över alla normer finns att hitta i EGN (Energigasnormen). Uppfyller man alla dessa normer så har man täckt in alla lagar också. Bild: Så här ser EGN ut 3

5 2 Teknisk beskrivning av anläggningen Bild: Processchema 4

6 3 Mottagning och förbehandling 3.1 Matavfall Kommunens medborgare har sorterat ut matavfall från övrigt avfall i papperspåsar av våtstarkt papper. Papperspåsar valdes eftersom felsorteringsgraden blir mindre jämfört med sortering i olikfärgade plastpåsar som en del kommuner tillämpar. I förbehandlingsanläggningen separeras fel sorterat material bort och materialet sönderdelas, späds och homogeniseras inför rötningen Sortering Papperspåsarna med matavfall tippas ned i en av två tippfickor för matavfall som finns i mottagningshallen. Om substratet är fruset vid ankomst tippas det istället på golvet i mottagningshallen. Golvet är vintertid uppvärmt med vattenburen golvvärme via spillvärme från uppgraderingsanläggningen. När materialet smält körs det ner i en tippficka. Matavfallet sönderdelas lätt i en kvarn så att den påföljande bortsorteringen av plast med stjärnsikt blir effektiv. Ca 5 % av materialet sorteras bort i stjärnsikten varav någon procent är rötbart material. Rejektet går till förbränning i kommunens värmeverk. Efter stjärnsikten finns bortsortering av metall med en magnetavskiljare och en virvelströmmagnet. Rejektet går till återvinning hos Stena återvinning. Det blir ungefär en halv hink skedar och gafflar per dag. Figur: Mottagning och sortering Spädning och separering Därefter späds matavfallet med återvunnet processvatten och omblandas i en turbomixer. I det därpå följande våtsikt/sandfånget separeras materialet i tre fraktioner. Materialet som sedimenterar kallas tung fraktion och består mestadels av grus och sand. Materialet går till deponi. Mellanfraktionen är det rötbara materialet och går vidare till en finkvarn för ytterligare sönderdelning innan den pumpas till bufferttanken. Den lätta fraktionen från sandfånget utgör ca 8 % av inkommande matavfall och består till ⅓ av rötbart material. Denna fraktion går till en skruvpress där ⅔ av metanpotentialen återvinns i form av en flytande fraktion. Rejektet från skruvpressen går till förbränning i kommunens värmeverk. Den flytande fraktionen från 5

7 skruvpressen pumpas till bufferttanken varifrån matavfallet kan pumpas vidare till rötgaskammaren. Nivån i bufferttanken sjunker under helgerna när inget avfall levereras till anläggningen för att sedan fyllas under veckodagarna när avfall återigen lämnas vid anläggningen. Figur: Från spädning via separering till bufferttank Målsättningen med förbehandlingsanläggningen har varit att få ett så rent substrat som möjligt utan att förlora organiskt material till rejekt. Anläggningen har därför fler separeringssteg än vad som är vanligt i dagens anläggningar. Ur energisynpunkt är det inte optimalt eftersom rejektet kan brännas i kommunens kraftvärmeverk men vi prioriterar att kunna återföra så mycket som möjligt av den fosfor som finns i matavfallet till lantbruket via rötresten. Kombinationen separering i vattenfas med lätt fraktion till skruvpress gör att vi förlorar totalt ca 5 % metanpotential eller fosformassa i förbehandlingsanläggningen vilket kan jämföras med att mer än 30 % förloras vid användning av enbart skruvpress. 3.2 Andmatsbassänger Bassängerna är täckta med växthusplast för att förlänga odlingssäsongen och för att hålla kvar koldioxiden från uppgraderingsanläggningen som sprutas in för att ge ökad tillväxttakt. Bassängerna förser också anläggningen med färskvatten via regnvatten som samlas upp i bassängerna. Överskott rinner ned i en underjordisk tank varifrån vattnet pumpas upp till perkolattanken. Andmaten skördas en gång i veckan i varje bassäng enligt ett rullande schema genom att länsar dras över ytan som skrapar den med sig. Den kan sedan pumpas med hjälp av en slamsug till mottagningstank och fastbädd. 6

8 Bild; Andmatsbassänger med växthusplast. 3.3 Förbehandling av vall och andmat Ensilering i fastbäddar Vallen sönderdelas och körs in i välisolerade plansilos. Materialet packas väl och silosarna försluts lufttätt. På så sätt skapas sk fastbäddar. Därefter begjutes materialet med vätska. Vid uppstarten blandas vatten med myrsyra och inokuleringspulver med mjölksyra bakterier för att säkerställa att ensilering dvs fermentering av sockerarter i vallen till mjölksyra och ättiksyra påbörjas. Detta förhindrar att annan fermentation startar. I de fastbäddar som skall användas på vintern blandas andmat med ensilage. Dom som används sommartid innehåller bara vall. Bild; En fastbädd under iordningställande 7

9 3.3.2 Hydrolys och syrabildning När processen väl påbörjats recirkuleras vätskan från perkolattanken genom fastbäddarna i plansilosarna. Det finns fyra bäddar som körs parallellt eftersom man då kan styra mängden bildad hydrolysvätska bättre samt att en eller två kan vara i drift medan de andra fylls. I fastbädden sker hydrolys vilket innebär att stora ej vattenlösliga molekyler som cellulosa och stärkelse och fruktaner hydrolyseras till enkla sockerarter och syrabildning då vattenlösliga organiska syror bildas. Dessa följer med perkolationsvätskan som samlas upp och leds till perkolattanken. Fördelarna med denna metod är att man inte behöver pumpa det svårpumpade ensilaget utan istället utvinner organiska syror som sedan pumpas vilket dels ger en snabbare rötning i rötkammaren och dels gör det lättare att styra processen och även minimerar slitage på pumpar och ledningar. Figur: Flödesschema för ensilering/förhydrolys. För tydligheten har endast två av tre plansilos tagits med i figuren. 3.4 Mottagning av gödsel Svingödsel lämnas på anläggningen i form av pumpbart flytgödsel. Leveransen sker till en mottagningsstation där pumpbilen kopplar slangen på ett tätslutande munstycke och pumpar över substratet till en tank. Från den tanken kan gödsel pumpas direkt in i rötkammaren. Andmat pumpas sommartid till samma mottagningsstation. Chaufförerna är ålagda att tvätta munstycken och delar där det finns risk för smittspridning med soda före och efter leverans. 1

10 Bild: Leverans av flytgödsel 4 Rötkammaren Hjärtat i anläggningen, rötkammaren, är 1800 m 3 stor och placerad till hälften inomhus. Då kan vi både nyttja isoleringen som byggnaden ger och kammarens strålningsvärme som uppvärmning av lokalen. Uppvärmningen av kammaren kommer från uppgraderingsanläggningen. För att rötningen ska bli så optimal som möjligt så det ske en bra omrörning. Vi har valt att använda oss av en stråldysfunktion där slurryn tas ut ur botten och skickas tillbaks genom vridbara munstycken. Då kommer vi få mindre problem med sedimentering. En dysa kommer även monteras över ytnivå för att kunna reducera problem som kan uppkomma vid skumning. Bild: Omrörningsflödet i rötkammaren 2

11 Substraten pumpas in i kammaren och där startar själva rötningsprocessen. Den är anaerob, dvs syrefri, och sker vid 55 C. Det första som sker är en hydrolys där kolhydrater, fetter och proteiner sönderdelas till mindre molekyler som aminosyror, mindre sockerarter, fettsyror mm. Detta görs av enzymer som vissa mikroorganismer utsöndrar. Nästa steg är fermentation, då dessa produkter bryts ner till olika mindre syror, alkoholer, koldioxid mm. Dessa kommer i sin omvandlas till acetat i ättiksyrasteget. Slutligen får våra metanogener, eller arkea, jobba. Deras uppgift är att bilda metan och koldioxid av i huvudsak acetatet, vilket utförs av de acetotrofa. De hydrogenotrofa använder sig av vätgas och koldioxid för att bilda metan. Metogenerna har en lång fördubblingstid, så uppehållstiden bör inte understiga 12 dygn, annars riskerar vi att skölja ur fler mikroorganismer än vad som bildas och processen kan avstanna. Rågasen som bildas skickas via toppen till uppgraderingen för att skilja av koldioxiden och höja metanhalten från 63 %. Rötresten leds vidare till hygieniseringen. 5 Efterrötkamrarna/hygieniseringstankarna Efterrötkamrarna är tre stycken 140 m 3 stora och beskickas satsvis rötrest från huvudrötkammaren. Beskickning sker under i cykler där dygn 1 används för fyllning från huvudrötkammaren. Dygn 2 används för hygienisering/efterrötning. Tredje dygnet används för tömning. Rötresten från huvudrötkammaren håller 55 grader när den beskickas Efterrötkamrarna. Efter två dygn har temperaturen sjunkit med mindre än en grad trots att ingen värme tillförts. Tankarna är isolerade med 5 cm glasull och står inne i mottagningshallen. Figur: Efterbehandlingen från hygienisering till rötrestlager samt återföring av processvatten, gasledningar är inte inritade. 3

12 Efter efterrötkammaren pumpas materialet genom en värmeväxlare till centrifugering. I centrifugen separeras det fasta materialet bort och blir fast rötrest. Den flytande fraktionen blir till viss del rötrest och pumpas till rötrestlagret för vidare distribution i ledningar till sattelitlager där bönderna kan hämta gödning. Resten återgår i processen och blir processvatten. En del pumpas till perkolattanken och en del går till spädning av matavfall. 6 Uppgraderingsanläggningen För att vår biogas nu ska kunna tankas i bilar och bussar så måste den renas från rågasens 63 % metanhalt till minst 97 %. Detta kan göras med olika tekniker. Vanligast är en vattenskrubber där gasen trycksätts till 10 bar och förs genom ett torn där den möter vatten som absorberar koldioxiden. Ut kommer en fordonsgas med 97 % metanhalt. En del metan löser sig i vattnet, man kan räkna med 2-3 % förlust. Tekniken är dock väl beprövad och enkel. PSA (Pressure Swing Adsorption) är en annan metod som använts länge. Den har ett antal kolonner fyllda med aktivt kol som var för sig adsorberar koldioxiden från biogasen under högt tryck. När kolet är mättat sänks trycket till vakuum och koldioxiden frigörs och förs ur anläggningen. Och processen kan starta om. För att den ska vara effektiv krävs att rågasen har renats från vatten och svavelväten. En ganska stor metanslip erhålls, men minskas genom att en del av den gas som adsorberats återförs till reningen. Tekniker som är under utveckling är bl a kryogen uppgradering, membranseparation och ekologisk lunga. Kryotekniken utnyttjar olika gasers kondenseringstemperaturer. Då koldioxid blir flytande vid mycket högre temperatur kan man separera gaserna. Om man sen fortsätter kyla metangasen ytterligare så får man LNG (Liquified Natural Gas), som är mycket bra då det har fördelen att den då har 600 gånger högre densitet än gas. Detta medför mindre lagringsvolymer och färre transporter. Processen är relativt energikrävande och man förlorar en del metan. LNG kallas även LBG (Liquified BioGas) när den utvinns ur biomassa. Membranseparation innebär att man under högt tryck låter rågasen passera ett membran som släpper igenom koldioxidmolekyler, lättare än metan. Det krävs att man har ett antal membran, då en del metan även passerar. Men det är en intressant teknik under utveckling. Till sist kan nämnas Ekologisk lunga. Den har i princip samma funktion som våra lungor. Ett enzym, karboanhydras, hjälper till att lösa koldioxiden i vatten som strömmar mot gasen i ett torn. Sen löser man ut koldioxiden under i en annan reaktor och för tillbaks vattnet in i processen igen. Fördelen med denna metod är att man inte behöver energi i form av värme eller tryck. En pilotanläggning på Lund universitet har lyckats framställa en gas med 99,5 metanhalt. Vi har en aminoabsorptionsanläggning med COOAB som medium. Valet av denna är att vi får en försumbar förlust av metan vid reningen. Den är även verksam under lågt gastryck, så vi sparar en hel del energi. Däremot behövs ganska mycket värme för processen. Av detta så kan man återföra uppemot 75 % till uppvärmningen av resten av anläggningen så totalt blir energiförbrukningen. 4

13 Rågasen kommer från de tre hygieniseringstankarna och komprimeras till ett litet övertryck. Den skickas genom ett filter av aktivt kol för att rena den från svavelväten och andra föroreningar. Nästa steg är att skilja ut koldioxiden. Då kommer gasen in i botten av absorbtionstornet och på sin väg upp möter den aminoblandningen, som är speciellt utvecklad för att fånga upp koldioxid. Denna COOAB lösning släpps från toppen av tornet i form av aerosol. Den möter gasen som är på väg upp och tar med sig koldioxiden ner för att sen föras vidare till nästa torn, stripperkolonnen. Där hettas kemikalien upp till runt 115 ºC och koldioxiden avlägsnas. Sen kyls lösningen ner och recirkuleras in i skrubbern. Vattnet eller ångan har en ingående temperatur på mellan ºC, överskrider den 160 ºC förstörs kemikalien, och utgående temperatur från värmeväxlaren ligger på drygt 100 ºC. Denna värme använder vi sen till uppvärmning av rötkammaren, förhydrolysen och golvet i mottagningshallen. Innan fordonsgasen är klar för distribution behöver den torkas, då den är mättad med vatten. Om det finns vatten i gasen kan det frysa i ventiler och kranar mm. Det sker genom två adsorptionstorkar fyllda med torkmedel som körs växelvis. Daggpunkten måste vara under - 60ºC, annars måste den gå igenom torkprocessen ytterligare en gång. Eftersom metan inte har någon doft måste den luktsättas, eller odöriseras. I första hand skickas gasen i en pipeline till den närliggande bussdepån. Vi har sen tuber inbyggda i flak, som körs till ett tankställe för bilister med den goda smaken att köra en biogasdriven bil. Vi förser även värmeverket med gas att förbränna. 7 Drift och underhåll På vår anläggning så har vi som tidigare nämnt att vårt primärsubstrat är matavfall. Det har sina för och nackdelar och en nackdel är att ibland på vintern så kan problem uppstå då matavfallet är fruset till stora is klumpar vilket orsakar problem då man måste tina upp materialet och få det mjukt. Det kan t.ex ske på en mottagnings station där allmänheten själv får lämna in sitt avfall, där det kan ligga och alstra kyla under en lång tid innan det töms. Eftersom temperaturen skriftar så drastiskt i Sverige sommar kontra vinter så skapar även värme ett problem. Ibland så kan det, under en varm sommardag, börja rötas i soptunnan man ställer ut som ska hämtas av sopbilen. Det gör att kvalitén på inkommande substrat kan skifta drastiskt från lass till lass. En effektiv metod för att hålla anläggningen i gott skick är att ta korta uppehåll på 2-3 dagar då man pausar all införsel av nytt substrat och buffrar inkommande under tiden. Man släpper sedan igenom en viss mängd substrat och kollar efter fel i processen. Längre uppehåll på ca 2v sker en gång per år då man utför en revision av anläggningens alla delar. 5

14 8 Anläggningens huvudsakliga substrat 8.1 Matavfall Matavfall är anläggningens huvudsubstrat och är varierat till sin sammansättning. I avfallet finns protein kolhydrater och fett samt spårämnen. Sammansättningen kan variera och på så sätt påverka processen. Avfallet från hushåll kommer sorterat i papperspåsar. Vi tar även emot avfall från storkök restauranger och livsmedelsbutiker. Detta avfall kommer kvarnat i plasttunnor med tättslutande lock. I behållarna sker ensilering naturligt eftersom det inte finns någon luft tillgänglig. Detta medför att avfallet är konserverat och inte medför olägenheter i form av dålig lukt i mottagningshallen. Hämtningsfrekvensen av avfallen kan också sänkas genom denna förbehandling. En annan konsekvens är att avfallet kan lagras inne, frostfritt, vilket leder till enklare lossning vintertid. Insamling av matavfall grundar sig i lagstiftning om att minst 25 % av det organiska avfallet skall behandlas biologiskt. Hanteringen av matavfall går under animaliska biproduktsförordningen som kategori 3 vilket innebär att biologisk behandling är tillåten om materialet hygieniseras i 70 grader C i 1h. Vi är den tredje anläggningen i Sverige som fått dispens från detta. Hygieniseringen sker istället genom att materialet håller minst 52 grader under ett dygn under samtidig satsvis efterrötning. 8.2 Ensilage Ensilage varierar i sammansättning beroende på många olika faktorer som tid för skörd, jordmån, typ av gröda. Vall med inslag av klöver och andra kvävefixerande arter har lägre C/Nkvot än gräsvall. Tiden mellan skördarna är avgörande för proteininnehållet i vallen. Om det går för lång tid innan skörd kan därför C/N-kvoten stiga och kolet föreligger då ofta som svårnedbruten cellulosa. Ensileringsprocessen påverkar också sammansättningen av substratet. Under ensileringen konserveras vallen när bakterier sänker ph genom produktion av mjölksyra och ättiksyra. I vår anläggning är ensileringen också förhydrolys eftersom syrorna som bildas under ensileringen lakas ur materialet och beskickas rötkammaren. Detta leder till att ph inte sjunker så lågt att mjölksyreproducerande bakterierna slutar producera mjölksyra. I mellanstora kommuner som vår blir anläggningar som bara rötar matavfall inte lönsamma att investera i pga små substratvolymer. Ensilage är då ett bra tillskott som höjer gasproduktionen så att investeringen blir lönsam. Vallen ger inte bara en ökad biogasproduktion. Klöverrik vall som ett inslag i växtföljden ger bättre skördar av påföljande grödor eftersom klöver fixerar kväve. Drygt hälften av kvävet (N2) som fixeras (till organiskt kväve) vid klöverodling stannar kvar i marken resten finns i skörden och under rötningen mineraliseras det organiska kvävet till ammonium kväve som är växttillgängligt. Vallen ger alltså ett tillskott av kväve till rötresten som ersätter kväve i form av handelsgödsel. Ungefär hälften av lantbrukets energiförbrukning härrör från produktion av handelsgödsel. Beroende på de stora miljövinster som vallodling kan medföra finns ett produktionsbidrag från staten. I nuläget omfattas dock inte vall till biogasproduktion av detta men det finns planer på att ändra detta. 6

15 Bild: Skörd av ensilage med dual-fuel traktorer. Vid ensilering av vall så måste man ansöka om godkännande av ensileringsmedel. EU har inga gemensamma regler utan allt godkänns nationellt av de lagar som finns inom landet. I Sverige är det SJV, Svenska Jordbruksverket, som behandlar ansökningar och dem hänvisar till bestämmelser för fodertillsatser. I ansökan bedöms produktens säkerhet och eventuella negativa effekter. Ensileringsmedlet skall vara säkert för människor, (djur) och miljö. Påstådda effekter skall vara vetenskapligt bevisade. Tillverkarna utför testerna. I dokumentationen skall undersökningar som fastställer följande fakta om tillsatsen redovisas: identitet användningsbetingelser fysikalisk-kemiska egenskaper metoder för bestämning av tillsatsen medlets effektivitet tillsatsens metabolism eventuella restsubstanser 7

16 Extra kontroll sker att studien redovisar vilka personer som ska hantera medlet och att det är säker för miljön. Vid undersökning av ensilering så hjälper SLU, Svenska Lantbruksuniversitetet, till med mätning av olika värden såsom fermentation, lagringsstabilitet (genom gasmätning), ph, ammoniaktal, fettsyror samt ensileringsförluster. 8.3 Andmat Andmat är en liten vattenväxt som växer exponentiellt genom delning och under optimala förhållanden kan producera 4 ton färskt material per ha varje dag. Växten innehåller mycket lite cellulosa (<5%) och relativt mycket protein (40 %). C/N- kvoten är därför låg ca 7. Vid nedbrytning av protein bildas aminer (-NH2) som tar upp vätejoner och bildar ammoniak (NH3) som står i jämvikt med ammonium (NH4+)under upptagande av ytterligare vätejoner. Fermentation/syrabildning med protein som substrat ger följaktligen inte lika stor ph sänkning som fermentation av kolhydrater. Rötresten som används som gödning är inte centrifugerad. Orsaken är att centrifugeringen sorterar bort en stor del av fosforn i rötresten. Fosforn är tillväxtbegränsande för andmaten i vårt system. Rötresten doseras så att halten fosfor i bassängvattnet är 1 mg/l vilket är optimalt för växten. Kvävehalten är då högre än optimalt. Arealbehovet per Nm3 metan som produceras är mindre än hälften jämfört med vallodlingen. Eftersom produktionen sker bredvid anläggningen behövs inga transporter. Det blir inget näringsläckage eftersom odlingen sker i bassänger. Det blir dock inget nettotillskott av näring som kan exporteras från anläggningen. Bild: Andmat kallas på engelska duckweed. Det latinska namnet är Lemna. 8

17 8.4 Gödsel Gödsel innehåller många spårämnen och metalljoner som kan vara tillväxtbegränsande för de metanproducerande bakterierna. Höga kvävehalter i gödslet betyder tillskott av alkalinitet till substratblandningen. För mer utförlig diskussion om hur kvävehaltigt substrat påverkar alkaliniteten hänvisas till appendix 2. Anläggningen uppbär produktionsbidrag från staten för den biogas som produceras från gödsel. Gödslet omfattas av ABP-förordningen som ett kategori 2 avfall och måste hygieniseras. Bild; En kontrakterad substratproducent, vi ses på julbordet. Substrat massa per år (ton) kg VS/ dygn Nm3 metan/ dygn Matavfall Vall Andmat Gödsel Totalt Tabell: Behandlade totalmassor, våtsubstansmassor och beräknat bidrag till metanproduktionen från de olika substraten som används i anläggningen. 9

18 9 Styrning och störning av biogasproduktionen 9.1 Viktiga processparametrar Temperaturen i rötkammaren skall i vår anläggning ligga på 55 grader C. Ammoniakhalten som beräknas ur ammonium-kvävehalten skall ligga under 0,15 g/l och regleras genom att ändra andelen färskvatten som blandas i processvattnet. Normalt ligger blandningsförhållandet på ¼ färskvatten och ¾ recirkulerat. Organisk belastning (OLR) till rötgaskammaren från gödsel, matavfall och ensilage/andmat skall i vår anläggning ligga under 12 ton VS/ dygn. Hydraulisk belastning (HLR) skall i vår anläggning vara maximalt 140 m 3 /dygn. Genom recirkulering av processvattnet sjunker HLR och ligger normalt på 40 m 3 /d. Metangasproduktionen skall i vår anläggning vara ca 3900 Nm 3 CH 4 /dygn eller mer till följd av samrötningseffekter. Metanhalten i biogasen skall vara över 60 %. Kvoten mellan flyktiga fettsyror (VFA) och totalalkaliniteten (TA) skall vara under 0,3 ph i rötgaskammaren skall vara stabilt och inte sjunka under 7,5 ph i perkolattanken skall ligga på 5,0 Fosforhalten i andmatsbassängerna skall vara 1mg/l 9.2 Styrning av processen Förhydrolysen Processen styrs så att gasbildning i fastbäddarna inte uppkommer. Två fastbäddar är i drift samtidigt och urlakas under tre dagar vardera. Under urlakningen stiger ph varvid bakterier kan börja producera vätgas (ph 5,5 6,5) och ev metan (ph 6,5-8). Eftersom urlakningen är så kortvarig kommer ph snabbt att sjunka igen och vätgas/metan producerarnas ev aktivitet avstannar. Maximal hydrolys sker vid ph 5,5 men för säkerhets skull hålls ph vid Rötkammaren Processen styrs genom att en balans upprätthålls mellan tillförsel av surt perkolat från fastbäddarna och bas producerande andmat och gödsel. Matavfallet är relativt balanserat i sin sammansättning men variationer i C/N-kvot kan balanseras genom förändringar i blandningsförhållandet mellan de övriga substraten. Ökad halt kol uppnås genom att pumpa in mer perkolat från perkolattanken. Ökad halt kväve uppnås genom att pumpa in ammoniakproducerande gödsel och andmat från mottagningstanken, samt genom att minska inblandningen av färskvatten i processvattnet. Man måste dock hela tiden ha koll på att inte ammoiakkoncentrationen blir så hög så att den stör aktiviteten hos metanogena archaea. Till hjälp för att bedöma om en förändring av substratsammansättning skulle kunna ge för höga ammoniakhalter och vilken HLR som behövs för att nå acceptabla nivåer finns ett excelark. Operatören skriver in vilka substrat som han belastat anläggningen med och hur mycket av de samt deras C/N-kvot. Utdata är lämplig HLR för substratblandningen. Excelarket ger också en 10

19 fingervisning om hur förändringar i substratsammansättning påverkar energibalansen i anläggningen. 10 Driftstörningar Driftstörningar uppstår om balansen mellan bas och syra rubbas. De flesta metanogena archaea klarar inte ph under 6,5. Tecken på driftstörning är: Sjunkande metanproduktion Stigande koldioxidhalt i gasen Stigande halter flyktiga syror (VFA) Sjunkande alkalinitet Stigande ph i perkolattanken Låg tillväxt i andmatsbassängerna Alkalinitet är ett mått på förmågan hos substratet att motstå ph förändringar. Om alkaliniteten sjunker beror det på att överskott av syra, H +, skapas någonstans i systemet. Anläggningen är då överbelastad och den organiska belastningen måste sänkas. I litteraturen anges som skäl att organiska syror ackumuleras om metanproducerarna inte hinner med att metabolisera alla syror som bildas av de syrabildande bakterierna. Av förmodligen större betydelse är att fermentation skapar H+ som en nedbrytningsprodukt tillsammans med tex koldioxid och acetat. Vid syntrof metanproduktion tas däremot H + upp och bildar H 2 (mer om detta i appendix 2) Orsaken till störningen kan vara att metanproducerarna inhiberas av något ämne. Detta problem löses genom ökad färskvatteninblandning, dvs lägre andel recirkulerad processvätska i substratet. Ammoniak kan inhibera archaea och bakterier om halten blir för hög. I första hand är det de acetotrofa metanogenerna som inhiberas medan dom syntrofa som omvandlar vätgas och koldioxid till metan klarar högre halter. Ammoniak inhibering kan därför leda till att gasens innehåll av koldioxid inte stiger vilket är fallet vid tex för hög organisk belastning av syrabildande substrat eller spårämnesbrist. Orsaken kan också vara att något för archaea vitalt ämne finns i för låg koncentration. Man kan då behöva göra en spårämnesanalys för att utreda om något ämne inte finns i tillräcklig konc. Kobolt är ett viktigt spårämne eftersom det ingår i metanbildningsenzymet. Om ph stiger över 6 i perkolattanken finns risk för att metanproduktion inleds i fastbäddarna. Detta är inte önskvärt och undviks genom att minska flödet av processvatten genom fastbädden och genom ökad inblandning av färskvatten. Om ph stigit mycket kan man behöva dosera myrsyra och bakteriekultur i perkolattanken för att återställa ensileringen. 11

20 Produktionen av andmat är lägre än väntat i bassäng 5. Enligt rykten skall detta bero på att anläggningens mikrobiolog släppt i Nilaborre (Tilapia) som under kraftig tillväxt äter upp vårt substrat. I uppgraderingen kan vi se störningar som oftast är av teknisk karaktär. Skulle det produceras mindre fordonsgas än väntat bör man kontrollera att ventiler och kompressorer fungerar som de ska. Eftersom gasen måste vara i stort sett fuktfri kan det vara torkarna som regenereras undermåligt. Om det aktiva kolet i svavelreningstornet är mättat så kan inte den förorenade gasen föras vidare till absorbtionstornet då aminoblandningen riskerar att skadas. 11 Rötresten För att få använda sig av certifierad biogödsel enligt SPCR 120 måste man uppfylla en del krav. Certifieringen är frivillig att använda sig av men försäkrar kunden om en bra produkt godkänd av tredje part. Tekniska krav och krav på fortlöpande kontroll har tagits fram av Avfall Sverige tillsammans med SP Byggnadsteknik, Sweco VIAK, Dansk Jordforberedning och SLU. Kraven ställs inom särskilda certifieringsregler som är framtagna i samråd med intressenter. Det går till på detta sätt därför att man vill få fram relevanta regler som är förankrade i verkligheten. Den fortlöpande kontrollen sker både genom egenkontroll, som innebär provning av färdig produkt, samt SP:s övervakning som sker via besök hos producenten och kontroll av egenkontrollen. Enheten som utför certifieringen är helt skild från provning och kontrollering. Denna enhet är underställd en styrelse där berörda industriområden finns representerade. Om en inledande prövning leder till en godkänd och certifierad produkt, sker sedan fortlöpande kontroller så länge den bär loggan certifierad återvinning. Certifieringsreglerna som produkten* ska leva upp till står under olika områden: Ingående råvaror Leverantörer Insamling och transport Mottagning Behandlingsprocess Slutprodukt Den ska också innehålla: Innehållsförteckning Råd och anvisningar för användning av biogödsel * Med produkt avses biogödsel i leveransklart skick, före det eventuellt blandas med tillsatser som torv, grus, sand, jord, konstgödsel osv. 12

21 11.1 Tekniska Krav Rötrestens innehåll är till stor del samma sak som man stoppar in i rötkammaren. Därför finns det krav på vilka råvaror som får användas för att kunna bli certifierade av SP. De råvaror som används i rötningen måste falla under exempelvis en av dessa kategorier: Parker, trädgårdar och andra grönytor Växthus, handelsträdgårdar och liknande Hushåll, restauranger och storkök Livsmedelsrelaterad, detaljhandel och grossistverksamhet Livsmedelsrelaterad förädlings- och förpackningsindustri Animaliska biprodukter Lantbruk Skogsbruk Samtliga leverantörer ska informeras vad som gäller angående accepterade råvaror samt göra sin del för att minimera oönskade ämnen. Transportörer ska dokumentera hämtställe och mängd vid varje transport. Det ska inte ske någon kvalitetsförändring vid transporten med oönskade ämnen eller spridning av smittor. Egenkontroll ska tillämpas. Vid mottagningen ska vikt eller volym dokumenteras. Oönskade ämnen ska avlägsnas i möjligaste mån. Anläggningen ska se till att spridning av smittoämnen och blandning med icke certifierade substrat minimeras. Rötslam från reningsverk är inte acceptabelt då höga halter av tungmetaller och rester av mediciner kan förekomma. Rötslam går därför under en annan certifiering (mer om Revaq certifiering nedan). Om man rötar animaliska biprodukter (ABP) eller matavfall måste materialet hygieniseras enligt vissa anvisningar. Tidigare har det enda sättet varit att förvara substratet i 70 gradig värme i en timme. Enligt SPCR 120 gäller jordbruksverkets anvisningar och de har gjort ett tillägg för hygienisering: Jordbruksverket har godkänt en termofil rötning som innebär att minst 52o C i minst 10 timmar används vid materialets rötning i reaktorn, samt att den hydrauliska uppehållstiden i reaktorn är minst 7 dygn. (Jordbruksverket, enheten för foder och djurprodukter. Rötning av animaliska biprodukter ). Om substratet innehåller ABP ska ABP-förordningen också följas. Det finns ingen övre gräns för användning av tillsatsmedel och processhjälpmedel. Bara det finns med i innehållsförteckningen vad man använt och hur mycket. Organiska- eller mineraliska gödselmedel samt kalk är tillåtna som tillsatsmedel. Som processhjälpmedel är järnklorid, järnoxid, bentonit, KMB1 och kiselgur tillåtna. 13

22 De driftparametrar som ska dokumenteras är följande: Typ och mängd av råvaror och tillsatsmaterial Temperatur och ph i reaktorn Tid mellan beskickningar Hydraulisk uppehållstid Kombinerad tid och temperatur i hygieniseringstank Organisk belastning Volymbelastning (certifieringsregler för biogödsel, SPCR 120) 11.2 Krav på slutprodukt Metall De metaller som ska redovisas i innehållsförteckningen för visas nedan i vad SPCR 120 har angett som riktvärden för maximal mängd metalltillförsel till åkermark i g/ha: Bly 25 Kadmium 0,75 Koppar 3001) Krom 40 Kvicksilver 1,5 Nickel 25 Zink 600 Större mängder koppar än 300g/ha och år kan godtas om åkermarken där spridningen tar plats behöver tillskott av koppar Smittskydd I kraven på hygieniseringskontroll, löpande driftskontroll och slutproduktskontroll delas anläggningar upp i tre kategorier; A: Anläggning som behandlar organiska restprodukter inklusive animaliska biprodukter. B: Anläggning som behandlar organiska restprodukter utom animaliska biprodukter. C: Anläggning som endast behandlar växtmaterial som foder- och energigrödor. A och B behöver redovisa hygieniseringskontroll, löpande driftskontroll och slutproduktskontroll. Anläggning C behöver endast redovisa löpande driftskontroll. Där ABP ingår måste ABP-förordningen följas, för de andra räcker jordbruksverkets rekommendationer för växtnäringsinnehåll vid spridning på åker. De mikrobiologiska parametrar man kontrollerar före och efter hygienisering är Esterichia coli och Enterococaceae. Förutom dessa kollar man också efter salmonella vid slutproduktskontrollen.. 14

23 12 Referenser Beckman, Kjöllerström, Sundström, Almqvist och Wiksell (1991), Energilära, Grundläggande termodynamik för högskolestudier Benjaminsson, J. (2006), Nya renings- och uppgraderingstekniker för biogas, SGC Rapport 163 Benjaminsson, J., Goldschmidt, B., Uddgren, R. (september 2010), Optimal integrering av energianvändningen vid energikombinatet i Norrköping -Integrering av ånga, hetvatten och fjärrvärme till biogasanläggningar, Värmeforsk 1149 Brook, Madigan, Martinko, Parker (1994), Biology of microorganisms, Prentice hall international Carlsson, M., Uldal, M. (feb 2009), Substrathandbok för biogasproduktion, SGC Rapport 200 Erikson, Holmström (2010), Förbehandling av matavfall med skruvpress, Utvärdering av effektiviteten i förbehandlingsanläggningen på NSR i Helsingborg, Lunds Universitet, Institutionen för Kemiteknik Fridh, S. (2007) Water soluble carbohydrates in forages and in the equine colon, Institutionen för husdjurens utfodring och vård, Examensarbete 245 Swedish University of Agricultural Sciences Uppsala Lehtomäki, A. (2006), Biogas production from energy crops and crop residues, Jyväskylä studies in biological and environmental science, nr 163, University of Jyväskylä Malmén, L., Ringmar, A., Thyselius, L. (2001), Ensilering av matavfall, JTI-rapport, Kretslopp & Avfall 24 Nordström mfl (1997), Samrötning av vallgrödor och källsorterat hushållsavfall, JTI-rapport Kretslopp och avfall nr 13, Persso, E., Ossiansso, E., Carlsson, M., Uldal, M., Olsson L-E. (2010), Rötning med inledande hydrolyssteg för uttökad metanutvinning på avloppsreningsverk, SCG Rapport 215 Schürner, A., Jarvis, Å. (2009), Mikrobiologisk handbok för biogasanläggningar, SGC Rapport U2009:03 Willén, J. (2010), Fordonsgas från deponier - en potentialstudie i Biogas Öst-regionen Växtkraft, Processdescription of the biogasplant in Västerås, Svensk Växtkraft Muntlig Referens: Denny Wallberg, KICAB 15

24 13 Appendix 1 - Beräkningar Beräkning av mängd matavfall 128 kg avfall per person och år inklusive storkök och restauranger varav 80 % insamlas. 128 x 0,8 = 102,5 Kommunen har innevånare x 102,5 kg = kg/år=10660 ton/år Avrundat till ton/år. Beräkning av organisk belastning Förutsättningar: ton matavfall, 3000 ton ensilage och andmat från 10 ha egna odlingar som gödslas med ett delflöde rötrest behandlas i anläggningen varje år. Matavfall från hushåll: 5 % av den organiska fraktionen felsorteras i förbehandlingsanläggningen och går till förbränning Matavfallets TS är 0,33 och VS är 0, ton x 0,33 x 0,85 x 0,95 = 2700 ton VS per år eller 7,3 ton VS per dygn från matavfall Ensilage: Har TS halten 0,4 och VS halten 0, ton x 0,4x 0,9 = 1100 ton VS per år eller 3 ton VS per dygn från ensilage Andmat: Odlas i 30 ggr utspädd rötrest bredvid anläggningen, odlingen är 10 ha TS= 0,08, VS=88%. Andmat odlad i näringsrikt vatten har ett proteininnehåll på 40 % av VS, fettinnehållet är 5 % av VS och kolhydrathalten 55 %. 4 ton färskt material produceras under optimala betingelser per ha och dag. Odlingen sker under växthusplast och koldioxid från fordonsgasuppgraderingen pumpas in i växthusen. Produktion sker under halva året. 4 ton / ha dag x 180 dagar x 10 ha = 7200 ton per år. Eftersom förhållandena inte är optimala under hela växtsäsongen reduceras rötad massa till 5000 ton per år eller 14 ton per helårsdag ton x 0,08 x 0,88 = 352 ton VS per år eller 1 ton VS per dygn från andmat 16

25 Anläggningen behandlar också 1000 ton flytgödsel från svin per år. Gödslet har en TS-halt på 0,08 och VS-halt på 0,8.C/N kvoten är 5 och den specifika metanproduktionen är 270 Nm3 CH4/ton VS 1000 x 0,08 x 0,8 = 64 ton per år eller 0,2 ton VS per dygn Totalt rötas 11,4 ton VS per dag. Beräkning av flödet till rötgaskammaren Flödet av utspätt matavfall är ton/ år eller 90 ton / d. Vilket med densiteten 1 ger m 3 eller 90 m 3 Flödet av utspätt ensilage är 3000 ton ensilage x 0,4 / 0,1= ton med densiteten ca 1 dvs m 3 per år eller 33 m 3 per dygn ton andmat med densiteten 1 behöver inte spädas vilket ger 5000m 3 eller 14 m 3 / dygn = 139 m 3 / dygn Flödet till rötkammaren är 139 m 3 / dygn. Dimensionering av bufferttank, förhydrolyskammare och hygieniseringstankar Bufferttanken är kopplad till matavfallsflödet och dimensionerad så att konstant flöde kan upprätthållas under helger när förbehandlingen av matavfall inte körs. 92 x 4 dygn= 360 m 3 buffertank Förhydrolyskammaren är också buffertank för ensilage och andmat slurry och utjämnar flödet så att skörd/förbehandling inte behöver ske under helger. (33+14) x 3 dygn = 140 m 3 förhydrolystank Hygieniseringstankarna/efterrötkammarna fylls batchvis enligt sekvensen 0,5 dygns påfyllning från rötkammaren 0, ,5 dygns efterrötning/hygienisering och 0,5 dygns tömning till rötrestlager. Tre dygn per batch är alltså uppehållstiden i tankarna som är tre stycken. 139 m 3 per hygieniseringstank Hygieniseringstankarna beskickas rötrest med temperaturen 55 C. Dimensionenerna är 5 m i diameter och höjden 6,6 m. Isoleringen är 5 cm tjock. Värmekapaciteten för vatten är 4,18 kj/kg grad c H2O Värmeledningsförmågan hos glasull är 0,036 W/mK ; y 17

26 1)Enligt Fouriers lag gäller att dq/dt = y A (T2-T1) / d dvs att den värmemängd (dq) som transporteras genom en skiljevägg under en viss tid (dt) är proportionell mot arean (A) och temperaturskillnaden (T1-T2)och omvänt proportionell mot väggens djup (d). 2)Värmemängden som avges vattnet i hygieniseringstanken fås av: dq=mc H2O dt Insättning av formel 1 i formel 2 ger: y A(T1-T2) dt / d m c H2O = dt 0,036 x 142 m2 x 20 grader x sek / 0,05 m x 4180 x m3 = 0,65 grader Temperaturen i hygieniseringstankarna sjunker 0,65 grader på två dygn Beräkning av kol och kväve flöden samt C/N kvot i slurryn Föt att kunna göra beräkningen har antagits att VS X 0,4 = C-halt. Detta stämmer om VS i materialet föreligger som (CH 2 O)n. C/N kvoten i matavfallet har antagits vara 27 ( litteraturuppgift 19-32). Ensilaget varierar i C/N- kvot på årsbasis men har här antagits ligga på 27. Andmat har en C/N kvot på 7 om den odlas i näringsrikt vatten och skördas minst en gång i veckan. Gödsel har en C/N-kvot på 5. Kolmassor: Matavfall; 0,4 x 7,3 ton VS/d= 2,9 ton C per dygn Ensilage; 0,4 x 3 ton VS/ d = 1,2 ton C per dygn Andmat; 0,4 x 1 ton VS/ d = 0,4 ton C per dygn Gödsel; 0,4 x 0,18 ton VS/ d = 0,07 ton C/d Summa 4,5 ton C per dygn tillförs anläggningen Kvävemassor: Matavfall: 2920 kg C/d / 27 = 108 kg N per dygn Ensilage: 1200 kg C/d / 27 = 44 kg N per dygn Andmat: 400 kg C/d / 7 = 55 kg N per dygn Gödsel: 70 kg C/d / 5 = 14 kg N per dygn Summa 221 kg N per dygn tillförs anläggningen varav 55 kg cirkuleras internt via andmatsbassängerna och resten 164 kg exporteras till traktens bönder via rötrest C/N kvoten i slurryn är 21 18

27 Produktion av metan i rötgaskammaren och efterrötkammrarna Matavfallet separeras kvarnas och späds till ton med TS-halt 10% och VS-halten är 80%. 470 Nm 3 CH 4 per ton VS kan maximalt produceras ur matavfall som är kvarnat och spätt enligt utrötningsförsök. 5% av metanpotentialen försvinner i separeringssteget. 7,3 ton VS/ d x 470 Nm 3 CH 4 per ton VS = 3431 Nm 3 CH 4 /dygn från matavfall Ensilage blandas med andmat kvarnas och späds till TS 10% varefter förhydrolys vid 50 C sker med tre dygns uppehållstid. Ensilage har maximal specifik metanproduktion på 300 Nm 3 CH 4 per ton VS. 3 ton VS/d x 300 Nm 3 CH 4 / ton VS = 900 Nm 3 CH 4 / dygn från ensilage Specifika maximala metanproduktionen från andmat bestäms med hjälp av proteinhalten, 40% ; fetthalten 5% och kolhydrathalten 55% och tabelldata från substrathandboken 0,4 x 0,51 Nm 3 CH 4 /kg VS protein + 0,55 x 0,42 Nm 3 CH 4 /kg VS kolhydrat + 0,05 x 0,96 Nm 3 CH 4 /kg VS fett = 0,474 Nm 3 CH 4 /kg VS Den specifika gasproduktionen för andmat är 474 Nm 3 CH 4 per ton VS 1 ton VS/d x 474 Nm 3 CH 4 per ton VS = 474 Nm 3 CH 4 / dygn från andmat Den specifika metanproduktionen för svinflytgödsel är 270 Nm3 CH4/ton VS 0,2 ton VS / dygn x 270 Nm 3 CH 4 per ton VS = 54 Nm 3 CH 4 / dygn från gödsel Totalt kan maximalt produceras 4905 Nm 3 CH 4 / dygn i anläggningen Produktion av koldioxid i rötkammaren 3431 x 0,35 /0,65 = 2009 Nm 3 CO 2 /d från matavfall 900 x 0,4 / 0,6 = 600 Nm 3 CO 2 /d från ensilage 474 x 0,38 / 0,62 = 291 Nm 3 CO 2 /d från andmat 54 x 0,35 /0,65 = 29 Nm 3 CO 2 /d från gödsel Totalt kan maximalt produceras 2929 Nm 3 CO 2 / dygn i anläggningen Metanhalten i gasen är 63% 19

28 Beräkning av utrötningsgrad och rötrestens innehåll Anläggningen tillförs 4,6 ton kol per dygn i form av matavfallsslurry och ensilage/andmatslurry och gödsel. Export sker i form av metangas, koldioxid och organisk fraktion i rötrest. Metangas har densiteten 0,717 kg/nm 3 och koldioxid har densiteten 1,98 kg/nm 3. 12/16 delar av metangasen är kol och 12/44 delar av koldioxiden är kol. Metangas: 4905 x 0,717 x (12/16) = 2638 kg C per dygn Koldioxid 2929 x 1,98 x (12/44) = 1582 kg C per dygn ( ) / 4600 = 0,92 Maximala utrötningsgraden är 92% Beräkning av uppehållstid där organiska halten i rötresten är 25% Eftersom certifieringen av rötresten kräver en organisk halt på 20% måste anläggningen dimesioneras så att utrötningsgraden blir lägre än 80% För beräkningen har följande formel använts: G = G e ( 1- e -at ) G är gasmängden som produceras G e är den potentiella gasproduktionen a är en hastighetskonstant som bestäms genom utrötningsförsök till 0,13 (litteraturuppgift substrathandboken) för kvarnat och spätt hushållsavfall. t är tiden Den maximala utrötningsgraden är 92%. enligt ovan. 0,92 x 0,8 = ca 0,75 Om G / G e = 0,8 blir VS-halten i rötresten 0,25 0,8 = 1 - e -at 0,2= e -at ln 0,2 = ln ⅕ = - a t ln 5 = a t ln5 / a = t 20

29 ln 5 / 0,13 = 12,5 dygn Vid 12,5 dygns uppehållstid är organiska halten 25% Beräkning av rötkammarens storlek 139 m 3 / dygn x 12,5 dygn = 1738 m 3 är rötkammaren Beräkning av organisk belastning kg VS / 1738 m 3 = 6,6 kg VS/m 3 /d blir den organiska belastningen (OLR) Beräkning av reducerade mängder metan och koldioxid Om massbalanserna skall stämma med den reducerade utrötningsgraden måste flödena av kol till metan och koldioxid minskas lika mycket som flödena ökas till rötresten. 0,8 x 4905 = 3924 Nm 3 CH 4 / dygn vilket motsvarar energivärdet 10 kwh/nm 3 x 3924 x 365 = 14,5 GWh/år 0,8 x 2929 = 2343 Nm 3 CO 2 / dygn Beräkning av reducerade flöden kol 0,8 x 2638 = 2110 kg C / dygn blir CH 4 0,8 x 1582 = 1266 kg C / dygn blir CO 2 0,25 x 4600 = 1150 kg C / dygn hamnar i rötresten Beräkning av C/N-kvot i rötrest 1150 / 221 = 5,2 är kol/kväve kvoten i rötresten Beräkning av ammoniak koncentration i rötresten Flödet av kväve genom anläggningen har beräknats till 221 kg N /dygn varav 55 kg cirkuleras internt via andmat. Utrötningsgraden eller bruttomineraliseringsgraden 75% visar att ¾ av kvävet mineraliseras i processen och bildar ammonium och ammoniak. En del av kvävet omsätts i rötkammaren och är inte tillgängligt som ammonium+ammoniak ( NH 4+ -N). Nettomineraliseringsgraden har vid försök visat sig vara 30 % i anläggningar som rötar matavfall och vall liter vatten per dygn flödar genom anläggningen g N/d g N/d X 0,30 / l/d = 0,36 g NH 4+ -N / l. 21

30 Ammonium och ammoniak står i jämvikt med varandra enligt följande: NH 3 + H + <----> NH 4 + Hur mycket av varje molekyl som finns i lösningen bestäms av dissociationskonstatnen, pka. ph i rötkammaren antas vara 7,5 och temperaturen är 55 grader C [NH3] = [ NH 4+ -N] / (pka-ph) pka = 0, / (T ) = 8,32 0,36/ ,32-7,5 = 0,047 g NH 3 /l Koncentrationen av ammoniak i rötresten blir 0,047 g/l om den inte recirkuleras Ammoniak koncentrationer över 0,2 g/l kan hämma tillväxten hos archaea och bakterier. Genom att avvattna en del av rötresten och återanvända den som processvatten kan kväve anrikas i rötresten. Recirkulation av processvatten leder även till stabilare driftförhållanden och minskad risk för att ph sjunker eftersom ammoniaken höjer ph-värdet på processvattnet. För säkerhets skull hålls halten ammoniak kväve i rötresten vid 0,15 g/l vilket motsvarar 1,5 g totalammonium per liter rötrest. ( Totalammonium konc i Växtkraft, Västerås är 2,5 g/l) 0,047/0,15 x 130 = 41 m3 / d behövs till rötrest och måste ersättas med färskvatten Genom avvattning av 90 m 3 rötrest per dygn och återföring av processvattnet för utspädning av matavfallet kan anläggningens behov av vatten minska till 40 m 3 / dygn 41 m3 / m2 = 4,1 mm/d 4,1 mm/d x365 =1500 mm/år Årsmedelnederbörden vid vår anläggning är 1700 mm/år (antagande; varierar i Sverige mellan ca 500 och ca 2000) så nederbörden räcker för att förse anläggningen med 41 m 3 vatten per dygn. 22

31 Flödet av kol och kväve i anläggningen 23

32 14 Appendix 2 - Mikrobiologi och kemi syrabas balans Metanbildningens Mikrobiologi Figur: Schematisk beskrivning syrefri metabolisering av organiskt material till metan och koldioxid Kolhydrater protein och fett hydrolyseras av substratspecifika extracellulära enzymer till aminosyror fettsyror glycerol och enkla sockerarter som glukos och fruktos. Det sker under upptagande av vattenmolekyler. Dessa ämnen tas in i bakterien för att där ingå i cellens metabolism. Den viktigaste intermediära fermentationsprodukten som bildas i cellen av dom hydrolyserade substraten är puryvat. Puryvat oxideras under avgivande av energi och reduktion av H+ till H2. Denna reaktionsväg är endast möjlig vid samtidig konsumtion av vätgas vilket syntrofa metanogena archaea står för. När metanogena archaea producerar metan av vätgas och koldioxid stiger ph således. Även minskad koldioxidhalt i vattenfasen, vilket förskjuter karbonatbuffertsystemet, påverkar ph uppåt. 24