Strategier för att effektivisera rötning av substrat med högt innehåll av lignocellulosa och kväve

Transkript

1 Strategier för att effektivisera rötning av substrat med högt innehåll av lignocellulosa och kväve Uppnådda resultat Bakgrund Biogasanläggningar vill optimera driften på anläggningen genom att öka inblandning av energi- och kväverika substrat med hög torrsubstanshalt. Ofta leder detta till en ökad organisk belastning och höga ammoniumhalter i processen. Vid dessa förhållanden är det vanligt att biogasproduktionen inte når upp till förväntade nivåer. Syfte Undersöka tre olika strategier (tillsats av järnklorid, spårmetaller resp värmebehandling av substrat) för att effektivisera rötning av substrat med högt innehåll av lignocellulosa och kväve. Utvärdera analysen av NDF och fett som ett komplement till traditionella analyser. 1. Minskad gasproduktion beror främst på hämningar under hydrolysen vid nedbrytning av lignocellulosa och fett. 2. Merparten av den förlorade gasproduktionen, kunde återfås via vidtagna åtgärder, vilket var den huvudsakliga målsättningen med projektet. 3. Strategin att tillsätta järnklorid hade tydligast effekt. 4. Den framtagna metoden för att beräkna nedbrytningsgraden av lignocellulosa och fett, via foderbaserade analyser, bedöms vara tillämpningsbar även för biogasanläggningar.

2 Avgränsningar Projektet begränsas till att: Gälla drift och utvärdering/analys av fortsatta laboratorieförsök på JTI/SLU med tre laboratorieprocesser från det föregående Sötåsenprojektet där substratet utgörs av en blandning av nötflytgödsel och kycklinggödsel. Undersöka tillsats och utfasning av järnklorid, spårämnen och värmebehandling i laboratoieförsök Fokusera på omsättning av lignocellulosa och fett samt biogasproduktionen från den använda substratblandningen.

3 Material och metod Substratblandning bestående av nötflytgödsel (30 % av VS) och kycklinggödsel (70 % av VS). Tre semi-kontinuerliga våta totalomblandade rötningsprocesser med 5 L aktiv volym. Två av reaktorerna har drivits vid 37 o C, den tredje vid 42 o C. 35 dagars uppehållstid. Analys av lignocellulosa har genomförts av Eurofins via en så kallad NDF-analys (Neutral Detergent Fiber). Även innehållet av lignin respektive råfett har analyserats av Eurofins Två generella principer testades för att få loss den låsta biogaspotentialen: a) Öka förekomsten av vattenlösliga spårmetaller i rötkammaren b) Öka fettets tillgänglighet för nedbrytning genom att säkerställa att det föreligger i homogeniserad/dispergerad form. De metoder som testades för att undersöka dess påverkan på hydrolysen av NDF och råfett är: 1) Tillsats av spårmetaller (test av princip a. ovan) 2) Tillsats av järnklorid (också test av princip a. ovan) 3) Värmebehandling av substratblandningen vid ca 65 o C innan rötning (test av princip b. ovan).

4 Resultat Diagrammet visar metanproduktion från en av reaktorerna. Nedgången efter referensperioden berodde på ökad belastning, från 3 till 4 g VS/L& d. Rötningsprocessen lyckades dock återhämta sig genom att järnklorid och spårmetaller tillfördes. När väl processen stabiliserats kunde spårmetaller fasas ut utan att påverka metanproduktionen negativt.

5 Slutsatser Genom att tillsätta järnklorid och spårmetaller till rötningsprocesser vars specifika metanproduktion låg % under den förväntade kunde merparten av den förlorade gasproduktionen återfås. Vidtagna åtgärder medförde att en specifik metanproduktion på ca 180 NL/kg VS kunde uppnås vid en rötkammarbelastning som var ca 46% högre än under referensperioden. Detta medförde att rötningsprocessen vid avslut av försöket producerade 31% mer metan per volymsenhet rötkammare jämfört mot referensperioden. Efter ett tidsförlopp på ca 6 månader, efter vidtagna åtgärder hade den specifika metanproduktionen ökat med dryga 60%. Dessutom kunde rötkammarbelastningen höjas med ca 10%. Detta medförde att rötningsprocessen vid avslut av försöket producerade 73% mer metan per volymsenhet rötkammare jämfört mot perioden då hydrolysen var hämmad. Det fastställdes att nedbrytningen av NDF, dvs lignocellulosa, försämrades påtagligt under långa perioder med låg specifik metanproduktion. Lignocellulosa beräknas ha bidragit med ca 55% av totala metanproduktionen från gödselblandningen under perioder då ingen hämning förelåg. Under den period där hämningen var som störst sjönk lignocellulosans beräknas bidraga ner till ca 40% av totala metanproduktionen. Det fastställdes att även nedbrytningen av fett, försämrades påtagligt under långa perioder med låg specifik metanproduktion. Ingen förändring kunde fastställas vad det gäller nedbrytning av protein mellan perioder då rötningsprocesserna fungerade väl och perioder då de var hämmade. Angreppsättet att komplettera traditionella TS- och VS-analyser på substrat samt på rötrest med att även analysera förekomsten av NDF, totalfett (och protein) bedöms vara en möjlig metod för att fastställa hur stor del av dessa komponenter i substratet som bryts ner vid rötning. Eventuella hämningar i hydrolysen kan identifieras med denna metod, under förutsättning att det även genomförts motsvarande analyser när rötningsprocessen ej har varit hämmad. Dessutom kan detta ge en bättre kunskap om vilka organiska ämnen som genererar biogasen.

6 Slutsatser Järnkloridtillsats till gödselblandningen fick svavelvätehalten att minska från halter högre än 2500 ppm till halter som låg stabilt vid ca 300 ppm i de tre rötkamrarna. När järnkloriden fasades ut ökade innehållet av svavelväte relativt snabbt för att efter 5 veckor åter ligga på halter över 2500 ppm. En järnkloridtillsats till gödselblandningen som rötades bedöms vara den enskilt viktigaste åtgärden som fick den hämmade hydrolysen i rötningsprocessen att återhämta sig, vilket medförde att merparten av den förlorade gasproduktionen kunde utvinnas igen. Detta konstaterande bygger framför allt på att den specifika metanproduktionen sjönk när järnkloriden fasades ut i slutet av försöket samtidigt som innehållet av flyktiga fettsyror ökade samt att nedbrytningsgraden av lignocellulosa och fett började sjunka. Spårmetalltillsats hade ingen dokumenterad effekt att höja specifika metanproduktionen. Detta konstaterande bygger framför allt på att den specifika metanproduktionen inte sjönk när spårmetallerna fasades ut i slutet av försöket och drevs utan spårmetaller under 16 veckor och utan någon större förändring vad det gäller halter av fettsyror i rötkammaren. Dock skall noteras att mängden flyktiga fettsyror minskade i den rötningsprocess som uppvisade största hämningen i samband med att spårmetaller började tillföras. Det dröjde dock ca 10 veckor med spårmetalltillsats innan den specifika metanproduktionen började öka. Eftersom denna rötningsprocess fick en järnkloridtillsats kan inga säkra slutsatser dras angående vilken åtgärd som bidrog till denna förbättring (eller om båda bidrog gemensamt). Värmebehandling av gödselblandningen hade ingen dokumenterad effekt att höja specifika metanproduktionen. Det gick att driva en stabil rötningsprocess vid ammoniumkvävehalter över 5 g/l. Rötkammarens bufferkapacitetet var betydande varför den gick att driva den med fettsyrahalter på över 8 g/l utan att ph-värdet sjönk (ph-värdet var normalt ca 8,0). Det gick att driva totalomblandade rötningsprocesser i laboratorieskala med ts-halter i rötkammaren på 13 %.

7 Projektorganisation Kontakt: Mats Edström telefon Projektdeltagare: JTI SLU Kraftringen Triventus Biogas AB Vafab Miljö Borås Energi och Miljö Växjö kommun Budget och tidsplan 650 ksek, avslutas i november, 2013 Delfinansieras av JTI, SLU, Göteborgs Energi, Kraftringen, Triventus Biogas AB, Vafab Miljö, Borås Energi och Miljö, Växjö kommun.