BMP-test Samrötning av pressaft med flytgödsel. AMPTS-försök nr 2. Sammanfattning

Transkript

1 1 BMP-test Samrötning av pressaft med flytgödsel AMPTS-försök nr 2 Tomas Östberg Ida Sjölund Sammanfattning Ensilage med hög fukthalt kan i ensilagesilos ge upphov till att relativt stora volymer pressaft bildas. Denna pressaft har högt TS (11-15 %) med lättillgängligt kol som gör det lämpligt för metangasproduktion. För att undersöka hur metangasproduktionen från nötflytgödsel påverkas vid samrötning med pressaft har vi i detta försök utfört utrötningstester med flytgödsel och pressaft i olika koncentrationer. Den maximala mängd metangas som går att erhålla från substraten flytgödsel och pressaft har bestämts med en standardiserade satsvis utrötningstest som ger ett värde på substratets biologiska mentangaspotential (BMP). För att erhålla en optimal och snabb process används då ett överskott av anpassad mikrobiell startymp, i detta fall har vi använt rötrest från en nötflytgödselbaserad biogasanläggning. Resultatet från BMP-testerna visar att den maximala metangasproduktionen från enbart pressaft är mycket hög, 380 Nml CH4/g VS jämfört med 167 Nml CH4/g VS för flytgödsel. Tillsammans med att VS-halten i pressaften kan vara nästan dubbelt så hög som för flytgödsel, gör detta att en liten volym tillförd pressaft kan öka metangasproduktionen relativt mycket. Baserat på BMP-försöken skulle en inblandning av 10 vol-% pressaft (VS = 13 %) till flytgödsel (VS = 7 %) ge en ökning av metangasproduktionen med ca 32%. En viktig fråga är hur mycket pressaft som kan blandas in i flytgödsel utan att påverka biogasprocessen negativt. I de försök där vi bestämde metangaspotentialen för enbart pressaft (100 %) motsvarar andelen pressaft endast ca 17 % av totalvolymen av pressaft och ymp (rötrest). Hur metangasproduktionen påverkas av högre inblandning än 17 % har inte testats, inte heller vad som sker vid kontinuerlig inblandning över längre tid. Men eftersom pressaften har ett ph runt 4 så kommer inblandning av mer än 20 % ge ett substrat med ett ph under 6 vilket inte är lämpligt. Innan dessa resultat har verifierats i kontinuerliga försök rekommenderar vi tillsvidare att maximalt blanda in 10 % pressaft. En viktig praktisk aspekt att hantera vid inblandning av pressaft är den skumbildning som sker direkt när pressaften kommer i kontakt med gödseln. Det som händer är att koldioxid avgår som ett resultat av en kemisk process när buffrande karbonater i gödseln neutraliserar den sura pressaften. Det rekommenderas därför starkt att blanda in pressaft i gödseln utanför reaktorn, gärna med omrörning och låta neutraliseringsreaktionen gå färdigt innan substratblandningen pumpas in i reaktorn.

2 2 Material och metod För att bestämma den maximala mängd metangas som går att erhålla från substraten flytgödsel och pressaft har vi använt en standardiserade satsvis utrötningstest som ger ett värde på substratets biologiska mentangaspotential (BMP). För att erhålla en optimal och snabb process används då ett överskott av anpassad mikrobiell startymp, i detta fall har vi använt rötrest från en nötflytgödselbaserad biogasanläggning. Försöket har utförts med hjälp av ett så kallat Automatic Methane Potential Test System, AMPTS II tillverkat av företaget Bioprocess Control. AMPTS II systemet består av en reaktorenhet med 15 st 500 ml glasflaskor med omrörning placerade i ett termostartstyrt vattenbad. Den biogas som bildas leds genom en koldioxidfixerande enhet bestående av 15 st 100 ml flaskor fyllda med 80 ml 3M NaOH med tymolftalein som ph-indikator för att rena gasen från koldioxid och svavelväte. Den renade metangasen leds vidare till en våt gasflödesenhet med 15 separata flödesmätare. Flödet bestäms genom att när en viss gasvolym (ca 10 ml) lyfter och öppnar en kalibrerad födescell i ett vattenbad, så registreras tidpunkt och volym i en datalogger inbyggd i gasflödesenheten. Denna metod möjliggör mätning av mycket låga gasflöden. Figur 1: AMPTS II från Bioprocess Control. Från vänster till höger (1) Reaktorenhet, (2) koldioxidfixerande enhet och (3) gasflödesenhet. Försöksbetingelserna har följt det som beskrivs i Handbok metanpotential (Rapport SGC 237) 1 med undantag att inget spädvatten har använts. Varje 500 ml försöksflaska fylldes med 400 ml blandning av mikrobiell ymp från en flytgödselmatad biogasreaktor och respektive substrat i förhållandet 2:1 baserat på dess VS-innehåll. Substratförsök och blankförsök med enbart startymp utfördes som dubbletter tillsammans med ett kontrollförsök med cellulosa vilket gav totalt 15 försöksflaskor. Systemet flödades med kvävgas innan start och försöket utfördes vid 37 C till dess att metangasproduktionen i respektive flaska planade ut till en dygnsproduktion mindre än 1 % av det totala, vilket inträffade efter ca 30 dygn. För att studera samrötningseffekten utfördes BMP-tester på pressaft och gödsel var för sig, samt på fyra kombinationer av pressaft och gödsel enligt Tabell 1. Till alla försök tillsattes ett överskott av startymp (2:1) vilket gav att vid test av t.ex. endast pressaft (Pressaft 100%) utgjorde pressaften ca 17 % av totalvolymen. Uppmätt torrsubstanshalt (TS) och glödförlust (VS) samt ph för substrat och startymp redovisas i Tabell 2

3 3 Tabell 1: Försöksuppställning för samrötning av pressaft med flytgödsel från nöt. Försöks ID Andel pressaft Andel gödsel Andel pressaft av total försöksvolym [%-VS] [%-VS] [vol-%] Gödsel 100% Pressaft 100% ,7 Pressaft 5% ,3 Pressaft 15% ,7 Pressaft 30% ,8 Pressaft 60% ,8 Tabell 2: Uppmätta TS och VS-halter för substrat och startymp. Pressaft Flytgödsel Startymp TS [%] 16,3 8,3 6,4 VS [%] 13,0 7,0 5,2 ph 4,1 7,4 7,5 Resultat och diskussion För att undersöka hur metangasproduktionen från nötflytgödsel påverkas vid samrötning med pressaft har vi i detta försök utfört utrötningstester med flytgödsel och pressaft i olika koncentrationer. Resultatet från BMP-testerna redovisas i Figur 2 och visar att den maximala metangasproduktionen från enbart pressaft är mycket hög, 380 Nml CH4/g VS efter 32 dygn och endast 167 Nml CH4/g VS efter 25 dygn för enbart flytgödsel. Försöken med 5, 15, 30 och 60 % inblandning av pressaft i flytgödsel ligger fördelade mellan dessa värden. Den pressaft som testades i dessa försök hade nästa dubbelt så hög VS-halt (13%) jämfört med flytgödsel (VS 7%). Detta medför att tillförsel av pressaft ökar metangasproduktionen både genom ett högre VS och att det organiska materialet ger mer metangas per g VS än flytgödsel. BMP-värdena omräknat till metangasproduktion per volym substrat motsvarar ca 50 Nm 3 /m 3 för pressaft och 12 Nm 3 /m 3 för flytgödsel. Baserat på detta skulle en inblandning av 10 volym-% pressaft i flytgödsel ge en ökning av metangasproduktionen med ca 32 %. Eftersom vi enbart har mätt produktionen av metangas, inte rågas och koldioxidhalt, vet vi inte hur mycket volymen rågas kan komma att öka. Men om andelen koldioxid i rågas från pressaft inte skiljer sig allt för mycket från flytgödsel så bör rågasproduktionen öka i samma storleksordning.

4 Metangas [Nml CH4 /g VS] Tid [dygn] Ymp Pressaft 5% Pressaft 15% Pressaft 30% Pressaft 60% Pressaft 100% Kogödsel 100% Figur 2: Metangasutbytet per gram VS för alla substratblandningar sedan ympens gasproduktion har dragits ifrån. Metangasproduktion från blankförsök med enbart ymp redovisas som Ymp. Klamrar i graferna visar standardavvikelse för dubbla prover. En viktig fråga är hur mycket pressaft som kan blandas in i flytgödsel utan att påverka biogasprocessen negativt, men för att undersöka detta är BMP-metoden inte optimal. Eftersom metoden kräver ett överskott (2:1) av anpassad mikrobiell startymp, i detta fall rötrest från en biogasanläggning, så kommer substratet som testas vara inblandat i rötrest som både ger näring, ph-buffert och eventuellt skydd mot hämmande nedbrytningsprodukter. Detta gör också att ett substrat kan testas som det enda substratet, men aldrig utgöra 100 % av reaktorvolymen. I Figur 2 redovisas bland annat metangasproduktionen från försök med enbart pressaft som substrat (Pressaft 100 %). I dessa reaktorer utgör volymen pressaft då endast ca 17 % av totalvolymen av pressaft och ymp (rötrest). Högre volymandelar går inte att testa med BMP-metoden. För detta krävs kontinuerliga försök där andelen pressaft i den kontinuerliga matningen ökas successivt för att finna ett optimum. Eftersom pressaften har ett ph runt 4 så kommer dock den positiva effekten av inblandning i flytgödsel begränsas av att pht i reaktorn sjunker under vad som är optimalt för dess mikroorganismer. Figur 3 visar hur pht påverkas av pressafts inblandning i flytgödsel. Vid mer än 20 % inblandning ger det ett ph under 6 vilket inte är optimalt för biogasproduktion 2. Vad som händer vid högre inblandning än 17 % har inte testats och vi vet inte heller vad som sker vid kontinuerlig inblandning över längre tid, men redan vid 20 % kan pht sjunka under en kritisk nivå. Så innan dessa resultat har verifierats i kontinuerliga försök rekommenderar vi tillsvidare att i nötflytgödsel maximalt blanda in 10 % pressaft.

5 5 [ph] 8 7,5 7 6,5 6 5,5 5 4,5 4 3,5 3 0% 20% 40% 60% 80% 100% 120% Koncentration pressaft i flytgödsel [vol-%] Figur 3: Inblandning av pressaft i flytgödsels påverkan på blandningens ph-värde. Figur 4: Redovisning av skillnaden mellan uppmätt metangasproduktion från 5, 15, 30 och 60 % pressaft i flytgödsel och förväntad metangasproduktion beräknad utifrån data för enbart pressaft och kogödsel.

6 6 Ett vanligt syfte med att samröta två substrat är att försöka få en symbiotisk samrötningseffekt, dvs att 1+1 blir 3 i stället för 2. Detta är möjligt när substraten var för sig inte är optimalt sammansatta men tillsammans kompletterar de varandra. Biogasproduktionen från vissa substrat kan begränsas av näringsbrist vilket kan lösas av ett annat substrat med högt näringsinnehåll. Vissa substrat kan begränsas av nedbrytningsprodukter som hämmar biogasprocessen vilket kan motverkas med att annat substrat med helt annan sammansättning. En sådan symbiotisk samrötningseffekt ska inte förväxlas med den effekt som erhålls när ett substrat med högre halt av organiskt material med hög metangaspotential, blandas in i ett substrat med lägre. Som i vårt räkneexempel ovan, där inblandning av 10 volym-% pressaft ökar metangasproduktionen med 32 %. Möjligheten att med hjälp av BMP-tester identifiera symbiotiska samrötningseffekter försvåras av den stora andelen startymp, vars syfte är just att minimera effekter av lågt näringsinnehåll, lågt eller högt ph-värde och hämmande nedbrytningsprodukter Trots BMP-metodens brister i detta avseende kan vi i Figur 4 ändå se en möjlig antydan till symbiotisk samrötningseffekt. I figuren visas den uppmätta metangasproduktionen från respektive blandning men även den förväntade metangasproduktionen beräknat utifrån uppmätt data för enbart pressaft och flytgödsel. För försöken med 15, 30 och 60 % pressaft ses en något högre uppmätt metangasproduktion jämfört med den beräknade. Denna skillnad är inte statistiskt signifikant, men det gör det extra intressant att studera inblandningen av pressaft i ett kontinuerligt försök där det inte finns en överdimensionerad startymp. En viktig praktisk aspekt att hantera vid inblandning av pressaft är den skumbildning som sker direkt när pressaften kommer i kontakt med gödseln. Det som händer är att koldioxid avgår som ett resultat av en kemisk process när buffrande karbonater i gödseln neutraliserar den sura pressaften. Denna koldioxid ger i sin tur ett mycket segt skum. I Figur 5 visas hur mycket skum som bildas när 45 ml pressaft blandas in i 400 ml flytgödsel. I detta fall gav skummet en volymökning på mer än 20 %. Det rekommenderas därför starkt att blanda in pressaft i gödseln utanför reaktorn, gärna med omrörning och låta neutraliseringsreaktionen gå färdigt innan substrat blandningen pumpas in i reaktorn. Felkällor Enligt en rapport från Svenskt Gastekniskt Center 3 så finns det risk att vid ugnstorkning av substrat med höga halter flyktiga fettsyror (VFA), så sker en betydande avgång av dessa fettsyror. Detta gör då att TS- och VS-halter underskattas vilket i sin tur innebär att processparametrar så som BMP-värden överskattas. För fettrika substrat så som kött med höga halter VFA kan det innebära ett fel på 30 % av VS-halten, men för substrat med lägre halter VFA, tex ensilage med låga halter ättiksyra som huvudsaklig VFA, så blir felet endast 3%. Vi vet inte hur höga halter VFA som pressaften från ensilage har och därmed inte om detta kan ha påverkat TS-bestämningen. Men det är rimligt att anta att pressaft har VFA-halter liknande ensilage och därmed påverkas resultatet endast marginellt. Om så inte vore fallet så skulle det innebära att vårt uppmätta BMP-värde på 380 Nml CH4/g VS för pressaft egentligen är något lägre, men denna felkälla påverkar dock inte de beräkningar där vi anger metangasproduktion per våt volym substrat, eftersom detta är oberoende av VS- och TS-halt.

7 7 Figur 5: Skumbildning när 10 vol-% pressaft blandas in i flytgödsel. Från vänster till höger (1) Start endast gödsel, (2) 1 min efter tillsats av pressaft, (3) efter 30 min och en omrörning och (4) efter 1 timme och flera omrörningar inget synligt skum på ytan. 1 Handbok metanpotential Rapport SGC 237, M. Carlsson & A. Schnurer, 2011, ISRN SGC-R-237-SE 2 Davidsson, Å. (2007) Increase of Biogas Production at Wastewater Treatment Plants; Addition of urban organic waste and pre-treatment of sludge. Doktorsavhandling, Vattenförsörjnings- och Avloppsteknik vid institutionen för Kemiteknik, LTH, Lund. ISBN: Method for correction of VFA loss in determination of dey matter in biomass, SGC Rapport 2013:273, Vahlberg, Nordell, Wiberg & Schnurer, 2013