Utvärdering av potential för anaerob behandling av industriellt avloppsvatten vid ambient temperatur

Transkript

1 Utvärdering av potential för anaerob behandling av industriellt avloppsvatten vid ambient temperatur Sofie Andreasson & Nelly Dahl Vattenförsörjnings- och Avloppsteknik Institutionen för kemiteknik, LTH Examensarbete 2014

2

3 Utvärdering av potential för anaerob behandling av industriellt avloppsvatten vid ambient temperatur av Sofie Andreasson & Nelly Dahl Master Thesis number: Vattenförsörjnings- och avloppsteknik Institutionen för Kemiteknik Lunds universitet Juni 2014 Handledare: Doktorand Hamse Kjerstadius & Professor Jes la Cour Jansen Examinator: Forskarassistent Åsa Davidsson Bild på framsida: Uppstart av BMP-fösök, avluftning med kvävgas. Lund. Foto taget av Sofie Andreasson Postadress Besöksadress Telefon P.O. Box 124 Getingevägen SE Lund, Sweden Webadress Fax

4

5 Förord Detta examensarbete har genomförts vid Vattenförsörjnings- och avloppsteknik (VA-teknik) vid institutionen för Kemiteknik på Lunds Tekniska Högskola (LTH) i samarbete med Skånemejerier och The Absolut Company. Examensarbetet är det sista steget i utbildningen till Civilingenjör i Bioteknik. Arbetet har involverat ett flertal personer som vi nu skulle vilja tacka. Först och främst vill vi tacka Hamse Kjerstadius för alla tips, råd och för all den kunskap du har delat med dig av under arbetets gång. Tack för att du alltid har ställt upp. Oavsett vad du själv har haft att göra har du alltid tagit dig tid att lyssna på oss och hjälpa oss med ett stort engagemang från början till slut. Utan din entusiasm och energi hade arbetet med examensarbetet inte varit hälften så roligt. Vi skulle också vilja tacka Jes la Cour Jansen för värdefull hjälp vid sammanställning och strukturering av examensarbetet. Vi vill tacka Marcus Hansson och The Absolut Company för att vi fick göra detta examensarbete i samarbete med er. Tack för ett mycket trevligt mottagande, en spännande rundvisning och ett gott samarbete. Vi vill även tacka Fredrik Javenskjöld och Skånemejerier för samarbetet under exjobbets gång och för att vi har fått all den hjälp och den information vi behövde. Vi vill även rikta ett tack till Ylva Eriksson på Sjölunda reningsverk och Magnus Persson på Carlsbergs reningsverk för att vi fick komma och hämta ymp och för trevliga rundvandringar. Dessutom vill vi tacka Gertrud Persson för alla trevliga samtal, all hjälp med det laborativa arbetet och för att du har ställt upp och hjälpt oss med allt från osammarbetsvilliga maskiner till tips och råd under labbandet. Sist men inte minst vill vi tacka våra vänner Anna Saarvanto, Boris Trivic och Maja Ekblad i exjobbsrummet för alla spännande diskussioner och skratt. Även tack till alla andra på institutionen för trevliga samtal och stunder under vårterminen! Sofie Andreasson & Nelly Dahl Lund, Juni 2014 I

6 II

7 Sammanfattning Sveriges avloppsreningsverk började under 1960-talet producera biogas. Ett decennium senare ledde oljekriserna till att inställningen till biogas ändrades från en restprodukt från avloppsreningsverken till att bli en möjlig lösning på oljeberoendet och miljöproblemen. Idag har Sverige kommit långt när det gäller biogas med ett stort antal anläggningar i hela landet. Biogas är slutprodukten av rötning, anaerob biologisk nedbrytning, av organiskt material. Den producerade biogasen består till största del av metan och koldioxid och är en förnyelsebar energikälla som kan användas till elektricitet, värme och bränsle. Syftet med denna studie var att undersöka huruvida rötning av industriellt avloppsvatten från livsmedelsindustrin, Skånemejerier och The Absolut Company, vid ambient temperatur (20 C ) skulle vara ett alternativ för företagen för potentiell energiåtervinning. Traditionellt sätt drivs en rötningsprocess vid temperaturer runt 35 C (mesofilt) eller 55 C (termofilt) men om stora flöden avloppsvatten med låg temperatur och låg koncentration av organiskt material ska rötas vid dessa temperaturer skulle det krävas en mycket stor mängd energi för att värma upp vattnet. Om rötningen däremot kan drivas vid en ambient temperatur kan processen i teorin bli mycket mer lönsam då företagen inte behöver värma upp avloppsvattnet och erhåller energi genom biogasproduktionen. För att kunna röta vid ambient temperatur krävs att ympen (mikroorganismerna) är väl acklimatiserad till den valda temperaturen för att inte metanproduktionshastigheten ska bli för låg. På grund av detta undersöktes i denna studie tre olika ymper: - En ymp från en mesofil anaerob rötningsprocess (Sjölunda reningsverk) som drivs vid 35 C. - En ymp från en mesofil anaerob rötningsprocess (Sjölunda reningsverk) som drivs vid 35 C och anpassades till en ambient temperatur på 20 C. - En ymp med granuler från en anläggning som drivs vid C (Carlsbergs biogasanläggning). Sammansättningen av substratet är viktig för att uppfylla mikroorganismernas näringskrav samt för att generera en biogas med hög metanhalt. För att uppnå syftet genomfördes därför satsvisa utrötningsförsök på avloppsvattnet, samt på referenssubstrat för kolhydrater, protein och fett, där metanpotentialen bestämdes. Dessutom genomfördes en karakterisering av avloppsvattnet för att bestämma andelen kolhydrater, protein och fett. För de satsvisa försöken utvärderades hastigheten för biogasproduktion för att granska skillnaderna mellan olika driftstemperaturer, ymper och substrat. De två olika avloppsvattnen utvärderades även med hjälp av företagens egna data för att se eventuella variationer hos avloppsvattnet över året. Utifrån resultaten erhållna i denna studie drogs slutsatsen att det skulle vara möjligt att driva en biogasprocess med avloppsvatten från Skånemejerier och The Absolut Company som substrat även om vissa parametrar bör undersökas vidare. Det visade sig även genom lönsamhetsberäkningar att energiåtervinning är möjlig ifall rötningen sker vid 20 C istället III

8 för 37 C. En anpassning av den mesofila ympen till 20 C visade sig inte vara nödvändig. Ymperna som användes var olika framgångsrika på att röta olika typer av substrat. Hydrolyskonstanterna gav varierande resultat de gav en indikation på hur snabbt nedbrytningen av det organiska materialet skedde. Däremot var de inte den bästa metoden för att avgöra huruvida ett substrat eller en ymp var lämplig att använda för biogasproduktion. Detta då den inte tog hänsyn till mängden producerad biogas. IV

9 Summary In the 1960s wastewater treatment plants in Sweden started producing biogas. One decade later, the oil crisis led to a change in attitude towards biogas. From having been viewed as mainly a byproduct, biogas started to be seen as a possible solution to the oil dependency and the environmental issues, and today Sweden has come a long way in the area. Biogas is the final product of anaerobic digestion of organic materials and it contains primarily methane and carbon dioxide. Biogas is a renewable source of energy that can be used for production of electricity, heat and fuel. The purpose of this thesis was to investigate whether anaerobic digestion of industrial wastewater from the food industry, Skånemejerier and The Absolut Company, at ambient temperature (20 C) could be a viable option for the companies with regard to energy recovery. Traditionally, anaerobic digestion is operated at temperatures around 35 C (mesophilic area) or 55 C (thermophilic area). If large volumes of industrial wastewater with low concentrations of organic material were to be digested at these temperatures very large amounts of energy would be required to heat the water. On the other hand, if the digester could be operated at ambient temperature, the process could, in theory, be much more profitable since no heating of the water is necessary and energy is obtained through biogas production. In order to get a successful digestion process with a high rate of methane production the inoculum needs to be well acclimated to the chosen temperature. Therefore three different inoculum were investigated in this study: - One inoculum from a mesophilic anaerobic digestion process which is operated at 35 C. - One inoculum from a mesophilic anaerobic digestion process which is operated at 35 C and adapted to an ambient temperature of 20 C. - One inoculum with granules from a facility that normally operates at C. Furthermore the composition of the substrate is important in order to meet the nutrient requirement of the microorganisms and to get a biogas with high methane concentration. To fulfill the purpose, Bio Methane Potential (BMP)-tests were performed for the wastewater as well as for reference substrates of protein, carbohydrate and lipids. Also a characterization was performed on the wastewater in order to determine the fractions of protein, carbohydrate and lipid. The BMP-tests were evaluated with regard to the rate of biogas production to examine the differences between different operating temperatures, inoculum and substrates. The two wastewaters were also evaluated using data obtained from the companies in order to see how several important parameters varied over the year. From the results obtained during this work, the conclusion that it would be possible to operate a biogas process with wastewater from Skånemejerier or The Absolut Company as substrate was drawn although some parameters should be examined further. Energy calculations V

10 showed that energy recovery could be possible if the digestion process is operated at 20 C rather than 37 C. The adaption of the mesophilic inoculum showed not to be necessary. Furthermore, the different inoculums were successful in digesting different types of substrates. The results of the hydrolysis constant gave varying results. It gave an indication of how fast the substrate was degraded, but it was not the best method for determining whether a substrate/inoculum were suitable for biogas production since it did not take the amount of produced biogas into account. VI

11 Innehållsförteckning 1 Bakgrund Syfte Genomförande Avgränsning Biogasproduktion De olika stegen i rötningsprocessen Substrat till biogasproduktion Faktorer som påverkar rötningen Toxiska/inhiberande ämnen Störningar i processen Satsvisa utrötningsförsök Hastighet för biogasprocessen - hydrolyskonstanten Metodbeskrivningar Skånemejeriers och The Absolut Companys avloppsvatten Karaktärisering av industriavloppsvatten Analys av TS och VS Beräkning av teoretisk biogasproduktion Försöksuppställning för de satsvisa utrötningsförsöken Bestämning av hydrolyskonstanten Lönsamhetsberäkningsekvationer Resultat och diskussion Resultatet av dataanalysen av Skånemejeriers och The Absolut Companys avloppsvatten Resultat av karaktäriseringen av industriavloppsvatten COD/Sulfat-ratio Resultat från de satsvisa utrötnings försöken Resultat för hydrolyskonstanten Lönsamhetsberäkningar angående etablering av rötningsprocesser vid Skånemejerier och The Absolut Company Slutsatser Rekommendationer till företagen Rekommendation till Skånemejerier Rekommendation till The Absolut Company VII

12 8 Framtida studier Referenser VIII

13 1 Bakgrund Sveriges avloppsreningsverk började under 1960-talet producera biogas. Ett decennium senare ledde oljekriserna till att inställningen till biogas ändrades och blev mer positiv. Från att ha setts endast som en restprodukt för att reducera slamvolymerna på avloppsreningsverken blev biogasen nu en möjlig lösning på oljeberoendet och miljöproblemen vilket ledde till att mer pengar satsades på forskning och utveckling. Idag har Sverige kommit långt när det gäller biogas, år 2012 producerades biogas på 242 anläggningar till ett energivärde på runt 1,6 TWh (Biogasportalen, 2011). Biogas är slutprodukten av rötning, anaerob biologisk nedbrytning, av organiskt material. Den producerade biogasen består till största del av metan och koldioxid och är en förnyelsebar energikälla som kan användas till att producera elektricitet, värme och bränsle. Att biogas är en förnybar energikälla gör att koldioxiden som bildas när biogas förbränns inte bidrar till växthuseffekten. Rötningsprocessen utnyttjas ofta vid vattenrening då de närvarande mikroorganismerna bryter ned de stora organiska molekylerna som återfinns i avloppsslam exempelvis kolhydrater, protein och fett till biogas genom flera steg. För att reglera utsläppnivåer av ämnen i avloppsvatten har Naturvårdsverket fått i uppdrag av regeringen att ta fram ett svenskt utsläppsregister grundat på Århuskonventionen (Naturvårdsverket, 2009). Värdena avser bland annat vilka koncentrationer av biokemisk syreförbrukning, BOD (Biochemical Oxygen Demand) och kemisk syreförbrukning, COD (Chemical Oxygen Demand), som är tillåtna att släppa ut i miljön. Både BOD- och CODhalten kan ge ett mått på vattnets kvalitet och dess renhet eftersom höga koncentrationer kan leda till syrebrist i våra sjöar och hav (Naturvårdsverket, 2010). Denna studie kommer fokusera på möjligheten att röta industriellt avloppsvatten från livsmedelsindustrin till biogas. Traditionellt drivs en rötningsprocess vid temperaturer runt 35 C (mesofilt) eller 55 C (termofilt) men denna studie kommer undersöka rötning vid en ambient temperatur (omgivande temperatur) som antas vara 20 C. Biogasprocessen är en komplicerad process där flera olika grupper av mikroorganismer behöver trivas för att erhålla en hög biogasproduktion med så högt metaninnehåll som möjligt (Jarvis & Schnürer, 2009). Det krävs att ympen (mikroorganismerna) är väl acklimatiserad till den valda temperaturen för att inte metanproduktionshastigheten ska bli för låg. Sammansättningen av substratet är viktig för att uppfylla mikroorganismernas näringskrav samt för att generera en biogas med hög metanhalt (Carlsson & Schnürer, 2011). För en väl fungerande biogasprocess med så hög metanproduktion som möjligt krävs alltså att mikroorganismernas näringskrav och miljökrav är uppfyllda. Tidigare har det inte varit ekonomiskt hållbart att röta avloppsvattnet eftersom den höga rötningstemperaturen medför att vattnet först måste värmas vilket är energikrävande. Då tunna avloppsvatten inte producerar tillräckligt med gas för att täcka uppvärmningen resulterar detta i en icke lönsam process. Ny forskning och nya tekniska framsteg som till exempel membranbioreaktorn öppnar nu möjligheter för att producera biogas vid en lägre temperatur. Rötning vid ambient temperatur väcker dock problem, exempelvis genom att 1

14 aktiviteten hos enzymerna som är aktiva under första steget i rötningsprocessen (hydrolysen) minskar med minskad temperatur (Donoso-Bravo et al., 2009). När lågtemperaturrötning utreds är därav hydrolyshastigheten en viktig parameter att undersöka för att få en indikation på hur snabbt substratet kan brytas ner. På grund av de strikta föreskrifter som finns på utsläppnivåer skulle det kunna gynna företag från livsmedelsindustrin att minska de höga halterna av organiskt material i avloppsvattnet genom avloppsvattenrening med biogasproduktion. Om rötningen dessutom kan drivas vid en ambient temperatur kan processen i teorin bli mycket mer ekonomiskt lönsam då företagen inte behöver lägga energi på uppvärmning av avloppsvattnet och erhåller energi genom biogasproduktion. 2

15 2 Syfte Syftet med examensarbetet var att utvärdera lämpligheten för biogasproduktion av industriellt avloppsvatten med avseende på potentiell energiåtervinning genom rötning vid ambient temperatur. - För att utvärdera lämpligheten för biogasproduktion utfördes satsvisa utrötningsförsök med syftet att avgöra potentialen hos olika ymper och substrat. - Hydrolyskonstanten beräknades för att utvärdera hastigheten för biogasproduktionen. Förutom att utvärdera hastigheten var syftet även att ge en bedömning huruvida hydrolyskonstanten är en bra parameter för att bedöma lämplighet för biogasproduktion hos ymper och substrat. - Två karaktäriseringsmetoder utvärderades för att avgöra om det finns indikationer på att någon av metoderna var mer tillförlitlig. I fall antydningar av detta slag finns, syftar examensarbetet till att ge en rekommendation på att den karaktäriseringsmetoden används i framtida försök. Examensarbetet syftar till att i slutändan ge en rekommendation till de medverkande företagen från livsmedelsbranschen huruvida en fortsatt utredning av en potentiell biogasanläggning är aktuellt. 2.1 Genomförande Två olika avloppsvatten från industrier inom livsmedelsbranschen; Skånemejerier och The Absolut Company karaktäriserades med avseende på andel fett, proteiner och kolhydrater för att undersöka substratets biogasutbyte samt utvärderades med hjälp av företagens egna data för att se eventuella variationer hos avloppsvattnet över året. Avloppsvattnens lämplighet för biogasproduktion analyserades både teoretiskt och genom att det genomfördes laborativa satsvisa biogas-försök. Till de laborativa försöken anpassades en ymp från en mesofil anaerob rötningsprocess som drivs vid 35 C till en ambient temperatur på 20 C. Den anpassade ympen jämfördes dels med icke anpassad ymp och dels med en ymp från en anläggning som drivs vid C för att se hur bra anpassningen lyckades. För de satsvisa försöken utvärderades hastigheten för biogasproduktionen för att granska skillnaderna mellan olika driftstemperaturer, ymper och substrat. 2.2 Avgränsning Examensarbetet avgränsas i den mån att det inte kommer att kunna ge statistiskt säkerställda värden för de satsvisa försöken eller för karaktäriseringen av andelar kolhydrater, fett och protein i det industriella avloppsvattnet. Det går inte att få fram statistiskt säkerställda värden på grund av att antalet försök som genomförs är begränsande. 3

16 4

17 3 Biogasproduktion Biogas är den produkt som bildas då organiskt material bryts ned av mikroorganismer under anaeroba förhållanden. Biogas består framförallt av metan (CH 4 ) och koldioxid (CO 2 ) samt en mindre mängd ammoniakgas, kvävgas, vätesulfidgas och vattenånga. Metan utgör mellan % av gasen beroende på vilket substrat som används (Abbasi et al., 2012). Rötningen sker av flera olika grupper av mikroorganismer där samspelet mellan grupperna är oerhört viktigt. Dessa mikroorganismer kan använda en mängd olika substrat till att producera biogas där slam från kommunala avloppsreningsverk är det vanligaste substratet i Sverige i dag. Exempel på andra substrat är; slakteriavfall, avfall från livs- och fodermedelsindustri, matavfall, gödsel, industriavfall och industriavloppsvatten (Jarvis & Schnürer, 2009; Abbasi et al., 2012). Den producerade biogasen är en förnyelsebar energikälla som kan användas till att producera elektricitet, värme, bränsle och som ett alternativ till naturgas. Då den används som bränsle krävs det dock att gasen uppgraderas, vilket innebär att koldioxid och övriga förorenande gaser avskiljs för att uppnå en metankoncentration på % (Lantz, 2013). I detta kapitel kommer faktorer som påverkar biogasproduktionen beskrivas mer ingående. 3.1 De olika stegen i rötningsprocessen Biogas bildas genom rötning då stora organiska molekyler som socker, protein och fett bryts ner till framförallt koldioxid och metan (van Lier et al., 2008). Rötningen sker av flera olika grupper av mikroorganismer som använder varandras nedbrytningsprodukter som substrat i efterföljande steg vilket gör samspellet mellan dem oerhört viktigt. Mikroorganismerna är från domänerna Bacteria och Archaea och nedbrytningen brukar delas in i fyra steg; hydrolys, acidogenes, acetogenes och metanogenes. En sammanfattning av de fyra stegen visas i figur 3.1 (Jonstrup et al., 2011; Jarvis & Schnürer, 2009). 5

18 Komplext organiskt material Hydrolys Acidogenes Acetogenes Metanogenes Figur 3.1 De olika stegen i rötningsprocessen. Hydrolysen, acidogenesen, acetogenesen, metanogenesen samt en alternativ metanbildningsväg (mellan Acetat och Vätgas,Koldioxid). Bilden är återskapad från Gujer, W. & Zehnder, A. J. B., (1983). Conversion processes in anaerobic digestion, med tillstånd från upphovsrättinnehavarna, IWA Publishing Steg 1. Hydrolys I det första steget bryts kolhydrater, protein och fett i det organiska materialet ned till mindre organiska ämnen som till exempel enkla sockerarter, aminosyror, fettsyror och en del alkoholer. Eftersom kolhydrater-, protein- och fettmolekyler är för stora för mikroorganismerna att ta upp direkt genom cellmembranet via endocytos, aktiv transport eller diffusion sker spjälkning med hjälp av extracellulära enzymer som utsöndras av mikroorganismerna (Jarvis & Schnürer, 2009; Jonstrup et al., 2011). En sammanfattning av enzymerna, deras substrat och nedbrytningsprodukter kan ses i tabell

19 Tabell 3.1 Enzymer i hydrolyssteget, deras substrat och nedbrytningsprodukter. Tabellen är återskapad från Jarvis och Schnürer (2009). Mikrobiologisk handbok för biogasanläggningar, Rapport SGC 207, med tillstånd från upphovsrättinnehavarna. Enzymer Substrat Nedbrytningsprodukter Proteas Proteiner Aminosyror Cellulas Cellulosa Cellobios och glukos Hemicellulas Hemicellulosa Socker, till exempel glukos, xylos, mannos och arabinos Amylas Stärkelse Glukos Lipas Fetter Fettsyror och glycerol Pektinas Pektin Socker, till exempel galaktos och arabinos, samt polygalakturonsyra En del mikroorganismer har förmågan att utsöndra flera olika typer av enzymer som kan bryta ner diverse organiska material, medan andra mikroorganismer är mer specialiserade och endast utsöndrar enzymer som bryter ner exempelvis socker eller proteiner (Jarvis & Schnürer, 2009). De mikroorganismer som utsöndrar enzymer för hydrolys är till största del obligata eller fakultativa anaerober (Jonstrup et al., 2011). Hastigheten hos hydrolyssteget beror på sammansättningen hos substratet men hydrolyssteget anses ofta vara det hastighetsbestämmande steget under rötningsprocessen vid låga temperaturer. För processer vid låga temperaturer är det därför extra viktigt att undersöka hydrolyshastigheten (van Lier et al., 2008). Att hydrolyshastigheten påverkas av temperaturen beror på att hydrolyssteget består av enzymkatalyserade reaktioner och att enzymernas aktivitet är starkt temperaturberoende (Donoso-Bravo et al., 2009). Hydrolys av kolhydrater Kolhydrater är ett samlingsnamn för monosackarider och polysackarider. Under rötningsprocessen är det polysackariderna som hydrolyseras. Jarvis och Schnürer (2009) tar upp några vanliga polysackarider i biogassammanhang, vilka är stärkelse, cellulosa, hemicellulosa, pektin och glykogen. Av dessa konstaterar de att cellulosa är den allra vanligaste i substrat för biogas vilket är bra då cellulosa är lätt att bryta ner jämfört med de andra. De mikroorganismer som utsöndrar enzymer som bryter ned polysackariderna kallas för sackarolytiska och de kan vara från olika grupper som till exempel släktena Bacteriodes, Clostridium och Acetivibrio (Jarvis & Schnürer, 2009). Hydrolys av proteiner och peptider Proteiner och peptider består av långa kedjor av aminosyror och finns till stor del i animalieprodukter. Proteiner kan även innehålla andra grupper vilket till exempel glykoproteiner och lipoproteiner gör. Hydrolys av glykoproteiner resulterar, utöver aminosyror, också i olika kolhydrater. De mikroorganismer som bryter ned proteiner till aminosyror kallas för proteolytiska och tillhör bland annat släktena Clostridium, Peptostreptococcus och Bifidbacterium (Jarvis & Schnürer, 2009). 7

20 Hydrolys av fett Fetter är uppbyggda av framförallt av triglycerider som bryts ner till glycerol, korta fettsyror och långa fettsyror (long chain fatty acids, LCFA, fler än 18 kolatomer). De mikroorganismer som producerar enzymer för att hydrolysera fett är oftast aeroba eller fakultativt aeroba, de strikt anaeroba är mer sällsynta men släktet Clostridium är ett exempel (Jarvis & Schnürer, 2009). Vid hydrolys av fett bildas långkedjade fettsyror (LCFA) (van Lier et al., 2008) och glycerol. Glycerol omvandlas snabbt till biogas medan den fortsatta nedbrytningen av LCFA är något mer komplicerad (Jarvis & Schnürer, 2009) Steg 2. Acidogenes I det andra steget används nedbrytningsprodukterna från det tidigare steget, hydrolysen, till exempel enkla sockerarter, aminosyror och alkoholer, som substrat till de fermenterande eller anaerobt oxiderande mikroorganismerna, så kallade acidogener. Detta är enligt Jarvis & Schnürer (2009) oftast det snabbaste av de fyra stegen. Jarvis & Schnürer (2009) menar att fettsyror och aromatiska strukturer från steg ett inte kan användas av de fermenterande mikroorganismerna utan används istället först i acetogenesen. Acidogenerna omvandlar nedbrytningsprodukterna från hydrolysen, genom olika fermentationsreaktioner, till olika organiska syror som till exempel ättiksyra, propionsyra, smörsyra, succinsyra, mjölksyra med flera. De bildade organiska syrorna är svaga syror vilket innebär att de står i jämvikt mellan sin laddade form och sin oladdade form. I en biogasprocess är ph-värdet vanligtvis runt sju och då finns syrorna framför allt i sin laddade form (anjon). Ekvation 1 visar hur ättiksyra står i jämnvikt med sin anjon, acetat (Jarvis & Schnürer, 2009). Även alkoholer och ammoniak bildas under acidogenesen men de huvudsakliga produkterna är acetat, koldioxid och vätgas (Jonstrup et al., 2011). Jarvis & Schnürer (2009) menar att vilka fermentationsprodukter som bildas beror till stor del på vilken typ av substrat som används, omgivningsförhållanden, samt vilka mikroorganismer som är aktiva. Dessutom kan närvaro av andra mikroorganismer och ändrade omgivningsfaktorer få en mikroorganism att ändra sitt fermentationsmönster (Jarvis & Schnürer, 2009). Exempelvis beror nedbrytningen av sukros på vätgaskoncentrationen i reaktorn. Vid en låg vätgaskoncentration bildas framförallt acetat, men om vätgasen ej förbrukas kontinuerligt utan istället ackumuleras bildas produkter som till exempel smörsyra och propionsyra (van Lier et al., 2008). Under acidogenesen är många olika mikroorganismer aktiva, fler än i de andra stegen och många är även samma som de som var aktiva under hydrolyssteget. Några släkten som tillkommer under fermentationssteget är till exempel Enterobacterium, Acetobacterium och Eubacterium (Jarvis & Schnürer, 2009) Steg 3. Acetogenes I steg tre bryts de bildade fermentationsprodukterna samt fettsyrorna ner till vätgas, acetat och koldioxid genom anaeroba oxidationer. För att de anaeroba oxidationerna, acetogenesen, i steg tre ska kunna ske krävs ett tätt samarbete mellan de organismer som utför oxidationerna, så kallade acetogener, och de metanbildande organismer som är aktiva under nästkommande steg, steg fyra (Jarvis & Schnürer, 2009; Jonstrup et al., 2011). (1) 8

21 Acetogena bakterier är obligat H 2 -producerande (van Lier et al., 2008). Under acetogenesen används protoner som elektronacceptor. I och med detta produceras hela tiden vätgas men på grund av termodynamiska begränsningar inhiberas de anaeroba oxidationerna av ökande partialtryck av vätgas (Gujer & Zehnder, 1983). Om den bildade vätgasen inte kontinuerligt plockas bort av metanogenerna som använder vätgasen för metanproduktionen kommer acetogenesen att avstanna. Detta är anledningen till att det komplexa samarbetet mellan acetogener och metanogener är så viktigt. Samarbetet mellan organismerna kallas för syntrofi som betyder äta tillsammans vilket väl beskriver beroendeförhållandet mellan de vätgasproducerande acetogenerna och de vätgaskonsumerande metanogenerna (Jarvis & Schnürer, 2009; Jonstrup et al., 2011). Många av de syntrofa vätgasbildarna, dock inte alla, har förmågan att byta till alternativa nedbrytningsvägar i frånvaro av en vätgaskonsumerande organism. De alternativa nedbrytningsvägarna leder inte till vätgasproduktion utan istället produceras ofta alkoholer och olika fettsyror varav de senare kan ställa till med problem för biogasprocessen (Jarvis & Schnürer, 2009). Acetogener tillväxer oftast långsamt och bildar utöver vätgas och koldioxid också acetat som huvudsaklig nedbrytningsprodukt (Jonstrup et al., 2011). Syntrophomonas, Syntrophus, Clostridium och Syntrobacter är exempel på släkten där det finns många organismer som kan utföra olika anaeroba oxidationer i syntrofi med en vätgasutnyttjande organism (Jarvis & Schnürer, 2009) Steg 4. Metanogenes I sista steget bildas biogas det vill säga metan och koldioxid. Metanbildningen sker av olika metanbildande mikroorganismer, metanogener. Deras huvudsakliga substrat är den vätgas, koldioxid och acetat som erhålls i steg två och tre, men även andra substrat exempelvis metylaminer, vissa alkoholer och format kan utnyttjas av metanogenerna (Jarvis & Schnürer, 2009; Jonstrup et al., 2011). Mikroorganismer som är aktiva i metanbildningen kommer precis som i övriga steg i biogasprocessen från flera olika grupper av mikroorganismer. Det som är mest utmärkande för metanogenerna är att de tillhör en annan grupp av prokaryota mikroorganismer nämligen arkaea, till skillnad från biogasprocessens övriga organismer som är bakterier (Jarvis & Schnürer, 2009; Jonstrup et al., 2011). En stor grupp av metanbildare är de acetotrofa metanogenerna. De använder acetat som substrat och är oftast de mest dominerande bland metanbildarna då acetat är källan till cirka 70 % av den biogas som bildas i en rötkammare (Jarvis & Schnürer, 2009; Jonstrup et al., 2011). De acetotrofa metanogenerna, eller acetatklyvande metanogener som de också kallas, klyver substratet acetat (två kolatomer) i två delar. Det ena kolet används sedan för att bilda metan medan det andra kolet används till koldioxid. De två mest förekommande acetotrofa metanogenerna är Methanosaeta och Methanosarcina (Jarvis & Schnürer, 2009). En annan grupp av metanogener är hydrogenotroferna som använder vätgas och koldioxid som huvudsakligt substrat för metanproduktion. Denna väg är mer enegrikrävande än 9

22 metanbildningen från acetat (Jonstrup et al., 2011). Det finns ett flertal olika grupper av hydrogenotrofa metanogener till exempel Methanobacterium, Methanococcus, Methanogenium och Methanobrevibacter (Jarvis & Schnürer, 2009). Att metanogenerna är arkéer innebär enligt Jarvis & Schnürer (2009) att de inte är lika robusta som många av de andra mikroorganismerna i biogasprocessen. Detta i sin tur gör att de påverkas tidigast av olika störningar som till exempel ph-förändringar eller närvaro av toxiska ämnen (Jarvis & Schnürer, 2009). De hydrogenotrofa metanogenerna har dock visat sig klara miljöförändringar bättre än de acetotrofa metanogenerna (Jonstrup et al., 2011). Eftersom metanogenerna är viktiga även för att acetogenesen ska fungera så kan en hämning av metanogenerna orsaka svåra konsekvenser för hela biogasprocessen. Att metanogenerna trivs är oerhört viktigt eftersom de generellt växer mycket långsamt (Jarvis & Schnürer, 2009; Jonstrup et al., 2011). Generationstiden för metanogenerna ligger mellan 1-12 dagar där Methanosaeta är de metanogener som växer långsammast (Jarvis & Schnürer, 2009). Det finns även studier av generationstiden som visar att de hydrogenotroferna metanogenerna kan som kortast ha en generationstid på 6 timmar medan de acetotrofa metanogenerna har en generationstid på minimum 2,6 dagar (Hassan & Nelson, 2012; Jonstrup et al., 2011). Andra generationstider som har föreslagits för metanogener i avloppsvatten är mellan 3 dagar vid 35 C till 50 dagar vid 10 C (Bitton, 2011) En alternativ metanbildningsväg, Syntrof acetatoxidation Under denna alternativa metanbildningsväg oxideras acetat, av en icke metanbildande bakterie, till vätgas och koldioxid, istället för att biogasen bildas direkt från acetat av en acetotrof metanogen. En hydrogenotrof metanbildare kan sedan bilda biogas från vätgasen och koldioxiden på samma sätt som i steg fyra. Samarbetet mellan de olika organismgrupperna i den alternativa metanbildningsvägen kallas för syntrof acetatoxidation (SAO). Att acetaten först måste brytas ner gör att biogasproduktionen går långsammare då SAO-vägen utnyttjas (Jarvis & Schnürer, 2009). Det är ännu oklart hur vanligt förekommande och hur viktig den här alternativa nedbrytningsvägen är. Hittills har den bara påvisats på ett fåtal platser, däribland några danska anläggningar för biogas och en svensk samrötningsanläggning (Jarvis & Schnürer, 2009). 3.2 Substrat till biogasproduktion Substratet är mikroorganismernas näringskälla och dess sammansättning är därför viktig för en väl fungerande biogasprocess (Jarvis & Schnürer, 2009). För att rötningsprocessen ska fungera bra är det viktigt att mikroorganismerna, förutom organiskt material, även har tillgång till näringsämnen, framförallt kväve och fosfor men också olika spårämnen (Jonstrup et al., 2011). Ett sätt att bedöma ett substrats lämplighet är genom COD:N:P förhållandet (chemical oxygen demand:kväve:fosfor). En tumregel som bör uppfyllas för att uppnå rätt förhållande mellan dessa ämnen är att COD:N:P förhållandet är 250:5:1 (Jonstrup et al., 2011). Substratet kan ha en mängd olika källor men gemensamt för alla substrat är att de kan innehålla kolhydrater, protein och fett i olika förhållanden. 10

23 Kolhydrater är ett samlingsnamn för monosackarider och polysackarider där polysackarider är uppbyggda av antingen raka eller grenade kedjor av monosackarider bundna med glykosidbindningar. Jarvis & Schnürer (2009) beskriver att de kolhydrater som är vanligast i avloppsvatten är stärkelse, cellulosa, hemicellulosa och pektin. Cellulosa, hemicellulosa och stärkelse finns i växtmaterial som till exempel frukt, spannmål, grönsaker och rotfrukter. Glykogen finns i cellerna hos djur där det fungerar som sockerreserv. Pektin finns i frukt, dess sammansättning är dock komplicerad och skiljer sig mellan olika frukter och varierar med mognadsgraden. Vid val av substrat är det viktigt att ha i åtanke att mono- och disackarider snabbt bryts ner vilket kan leda till instabilitetsproblem på grund av ansamling av fettsyror (Jarvis & Schnürer, 2009). För att få en bra stabilitet i biogasprocessen bör därför substrat med lättnedbrytbara kolhydrater blandas med ett annat substrat som innehåller mer svårnedbrytbara kolhydrater (Jarvis & Schnürer, 2009). Proteiner och peptider består av långa kedjor av aminosyror men kan även ha andra grupper bundna till sig, vilket till exempel glykoproteiner och lipoproteiner har. Alla aminosyror innehåller amingrupper (NH 2 ) och när proteiner bryts ner omvandlas dessa till ammoniak (NH 3 ) eller ammonium (NH 4 + ). Ammoniak är hämmande och till och med avdödande för många mikroorganismer (Jarvis & Schnürer, 2009). Sanders (2001) beskriver att proteiner delas in i två huvudgrupper; globulära- och fiberproteiner. De globulära proteinerna är sfäriska, kolloida och vattenlösliga, känsliga för förändringar i temperatur och ph och relativt lätta att hydrolysera. Fiberproteinerna däremot har en långsmal, utsträckt form och är olösliga i vatten och stabila vid ändrad temperatur och ph (Sanders, 2001). Fettet består framförallt av triglycerider som bryts ner till glycerol, korta fettsyror och långa fettsyror (Jarvis & Schnürer, 2009). De vanligaste triglyceriderna i avloppsvatten är myrsyra (C14:0), palmetinsyra (C16:0), stearinsyra (C18:0), oljesyra (C18:1) och linolsyra (C18:2) (Sanders, 2001). Eftersom fett inte är vattenlösligt kommer fettmolekylerna (lipiderna) vilja binda till partiklar i substratet (Sanders, 2001). Ansamling av fettsyror kan leda till problem i form av minskad alkalinitet och skumning (Jarvis & Schnürer, 2009). Sammansättningen på substratet kommer att avgöra dess metanpotential. Den teoretiska metanpotentialen kan bestämmas utifrån substratets andel av de olika beståndsdelarna kolhydrater, protein och fett (Jarvis & Schnürer, 2009). Utifrån standardsammansättning på substraten (Angelidaki & Sanders, 2004) kan de teoretiska värdena för metanpotentialen för kolhydrat, protein och fett beräknas enligt Buswells ekvation som beskrivs närmare i kapitel 4 i avsnitt De teoretiska metanpotentialerna kan ses i tabell 3.2. Tabell 3.2 Teoretiskt metanutbyte i enheten Nl CH 4 /g VS, där N står för att metanvolymen är normaliserad till standardtemperatur och tryck för en karaktäristisk sammansättning av kolhydrat, protein och fett. Metanutbytena är beräknade enligt Buswells Ekvation. Substrat Sammansättning Metanutbyte (Nl CH 4 /kg VS) Kolhydrat (C 6 H 10 O 5 ) n 415 Protein* C 5 H 7 NO Fett C 57 H 104 O *Kväve omvandlas till NH 3 och ej metan. 11

24 3.2.1 Avloppsvatten från mejeri Avloppsvatten från mejeriindustrin innehåller enligt Orhon et al. (1993) mycket organiskt material med höga BOD- samt COD-halter på cirka 1000 mg/l respektive 1500 mg/l, vilket gör det till ett lämpligt substrat för biogasproduktion (Orhon et al., 1993). Mejeriavloppsvattnet är naturligt rikt på till största del kolhydrater men innehåller även protein och fett från mjölken (Perle et al., 1995). Den största delen av torrsubstansen (TS) i mejeriavloppsvatten kommer från laktos vilket även ger dess höga COD-halt (Hassan & Nelson, 2012). Enligt Perle et al. (1995) finns det många studier som visar på att det framgångsrikt går att röta laktos (Perle et al., 1995). Hassan & Nelson (2012) beskriver att laktos, precis som alla andra kolhydrater, först måste brytas ner i olika intermediärer innan det omvandlas till biogas. De vanligaste intermediärerna för laktos är acetat, laktat, etanol samt format. Av dessa representerar acetat cirka 70 % vilket är en av anledningarna till att laktos är ett bra substrat för biogasproduktion (Hassan & Nelson, 2012). Eftersom substrat från mejeriindustrin ofta är rikt på kolhydrater samt att laktos är lättnedbrytbart finns risk för ansamling av fettsyror och eftersom kolhydratrika material ofta har en dålig buffrande förmåga kan detta leda till sjunkande ph (Jarvis & Schnürer, 2009). Proteinet i mejeriprodukter finns i form av kaseinmiceller. Perle et al. (1995) menar att mikroorganismerna, om de inte är acklimatiserade, kan ha problem med att bryta ner denna typ av protein vilket resulterar i en ineffektiv biogasprocess. Dessutom kan det finnas en risk att de långa fettsyrorna från mjölkfettet har en inhiberande effekt på metanogenesen (Perle et al., 1995). Mjölkfettet representerar vanligen 4-22 % av torrsubstansen i avloppsvatten från mejeriindustrin och består till 97 % av triglycerider (Hassan & Nelson, 2012). Fettrikt material ger också problem med ansamling av fettsyror (Jarvis & Schnürer, 2009) Avloppsvatten från destilleri Innehållet i destilleriavloppsvattnet varierar dels beroende på vilket råvara som används men också beroende på hur processen ser ut. Enligt Sigge et al. (2008) finns variationer i sammansättningen på avloppsvattnet från ett destilleri både sett under dagen och över året (Sigge et al., 2008). Ett problem med att använda avloppsvatten från spannmålsdestillerier är att de oftast innehåller höga halter av proteiner, vilket ger problem i form av ökad ammoniakhalt samt lipider som kan leda till ansamling av fettsyror, vilket kommer beskrivas närmare i avsnitt (Jarvis & Schnürer, 2009). Något som talar för rötning av avloppsvatten från destillerier är att de brukar ha ett COD:N:P förhållande på runt 800:5:1, vilket innebär en hög andel COD jämfört med kväve och fosfor. Detta gör att destilleriavloppsvatten lämpar sig mycket bättre för anaerob behandling än för aerob, eftersom stora mängder kväve och fosfor skulle vara tvunget att tillföras vid aerob behandling för att tillgodose bakteriernas näringskrav (Moletta, 2005). Dock kan det innebära viss risk för kvävebrist i systemet då 800:5:1 jämförs med tumregeln på 250:5:1. En restprodukt vid sprittillverkning är drank vilket kan fungera bra som substrat till biogasproduktion. Det finns dock en viss risk med att använda drank som substrat då det vanligtvist är rikt på proteiner vilket kan leda till problem i processen i form av ammoniakinhibering (Jarvis & Schnürer, 2009). En annan risk är att dranken innehåller mycket sulfat då i vissa fall förbehandling av vete sker genom kokning med svavelsyra. Ifall 12

25 denna typ av förbehandling förekommer kan sulfathalten ha en inhiberande effekt på metanogenerna (Jarvis & Schnürer, 2009). 3.3 Faktorer som påverkar rötningen Biogasprocessen är en känslig process där driftparametrar och substrat måste optimeras för att de olika mikroorganismerna ska trivas och ge maximalt metanutbyte Temperatur Temperaturen är enligt Jarvis och Schnürer (2009) en av de viktigaste parametrarna under rötningsprocessen. Eftersom den största delen av energin som bildas under rötningsprocessen lagras i metan är det en mycket liten del som avges som värme. Processen kräver på grund av detta, värmning utifrån för att hållas vid den optimala temperaturen för mikroorganismerna (Jarvis & Schnürer, 2009). Det är i huvudsak två temperaturintervall som används vid anaerob rötning, antingen sker rötningen mesofilt vid en temperatur på C med optimala förhållanden mellan C, eller termofilt mellan C med optimum runt 55 C (Jarvis & Schnürer, 2009). Termofil drift ger möjlighet till högre organisk belastning (Abbasi et al., 2012) eftersom högre temperatur gör att mikroorganismerna är mer aktiva samt förbättrar masstransport och därmed ger snabbare nedbrytning av materialet (Jonstrup et al., 2011; Jarvis & Schnürer, 2009). Enligt Khanal (2008) dubblas den biologiska aktiviteten då en ökning med 10 C sker (Khanal, 2008). Däremot är den termofila processen ofta mer instabil och känslig mot störningar och toxiska ämnen (Abbasi et al., 2012). En anledning till detta är att den mesofila rötningen vanligtvis innehåller en bredare mikroorganisk flora och i och med det kan den bättre hantera driftstörningar som exempelvis temperaturförändringar (Jarvis & Schnürer, 2009). Förutom dessa temperaturer är det också möjligt att driva en anaerob rötningsprocess i det psykrofila området med en temperatur på <20 C (Jonstrup et al., 2011). Enligt Khanal (2008) kan rötning ske inom temperaturområdet C utan större förändringar i mikroflora. Khanal (2008) pekar även på att en effektiv metanproduktion uppnås även vid lägre temperaturer mellan C i kontinuerliga processer såvida COD-koncentrationen är mellan mg/l. En förutsättning för att detta ska kunna uppnås i en kontinuerlig process är att mikroorganismerna inte riskerar att spolas ut utan till exempel är immobiliserade (attached growth system) eller i anaeroba membranbioreaktorer, (Khanal, 2008). Bandara et al. (2012) visar att även om det går att driva en rötningsprocess vid lägre temperaturer, resulterar det ofta i låg COD-nedbrytningshastighet samt låg metanproduktionshastighet. De påpekar även att det är viktigt att ta hänsyn till att mängden löst metan i vätskan ökar vid lägre temperaturer. Den lösta metanen resulterar i utsläpp av växthusgaser från den anaeroba behandlingsprocessen samt en förlust av energi, då denna metan vanligtvis inte kan återvinnas till gasform (Bandara et al., 2012). På grund av metanbildarnas långsamma tillväxthastighet i relation till exempelvis acidogenerna är de mycket känsliga för temperaturstörningar. Temperaturen bör därför hållas 13

26 på ett konstant värde (+/- 0,5 C) för att hålla en god metanproduktion (Jarvis & Schnürer, 2009) ph och alkalinitet Rötningsprocessen involverar flera olika grupper av mikroorganismer och dessa har i sin tur olika värden på optimalt ph för maximal tillväxt. Optimalt ph varierar mellan cirka 6 för acidogener (Jonstrup et al., 2011) och upp till för metanogener och acetogener (Jarvis & Schnürer, 2009). För att båda typerna av mikroorganismerna ska trivas är det optimalt att driva rötningsprocessen vid neutralt ph, runt 7 (Khanal, 2008). I samband med nedbrytningen av organiskt material produceras organiska syror av acidogena bakterier. Buffertkapaciteten i reaktorn är därför en viktig parameter för att undvika sänkning av ph och därmed inhibering av metanproduktionen (Abbasi et al., 2012). Ett sätt att bestämma buffertkapaciteten hos en process är genom mätning av alkaliniteten, vilken representerar den mängd basiska ämnen med förmåga att buffra processen som finns närvarande. Ett högre värde på alkaliniteten resulterar därmed i ett stabilare ph, i och med detta tillåts en viss obalans i samspelet mellan mikroorganismerna samt en ökning av fettsyror utan att biogasprocessen drabbas i betydande utsträckning. Framförallt är det karbonatjoner som utgör alkaliniteten (Jarvis & Schnürer, 2009) men även vätesulfid, divätefosfat och ammoniak bidrar (Jonstrup et al., 2011). Alkaliniteten indelas normalt i total alkalinitet (TA) som beskriver hur mycket basiska joner det finns totalt och bikarbonatalkalinitet (BA) som endast anger mängden bikarbonatjoner. BA och TA kan bestämmas genom titrering med syra (Jarvis & Schnürer, 2009) Organisk belastning För att rötning ska kunna ske krävs det organiskt material för mikroorganismerna att bryta ned. Mängden av organiskt material som processen förses med kallas processens organiska belastning. För att kunna välja en rimlig organisk belastning är det nödvändigt att veta hur mycket torrsubstans (total solids, TS) och organisk substans (volatile solids, VS) substratet innehåller, se figur 3.2. Det är det organiska materialet, VS, som mikroorganismerna använder som substrat till biogas. Hur stor belastningen kan vara beror på mikroorganismernas aktivitet och bör därför vara låg då en ny process startas upp och sedan ökas stegvis. Även substratets sammansättning påverkar vilken belastning som kan väljas. Används ett substrat med lättnedbrytbara ämnen, exempelvis mycket socker, är det möjligt att ha högre belastning eftersom mikroorganismerna snabbt kan bryta ned dessa ämnen (dock kan detta orsaka andra problem i processen vilket kommer tas upp senare i 3.5.1) (Jarvis & Schnürer, 2009). 14

27 Figur 3.2 En schematisk bild av hur TS och VS beror på varandra. Figuren är kopierad från Vahlberg et al. (2013), med tillstånd från upphovsrättinnehavarna. En normal belastning är enligt Jarvis & Schnürer (2009) runt 4-5 kg VS/m 3 reaktor per dag för en termofil process och runt 2-3 kg VS/m 3 reaktor per dag för en mesofil process (Jarvis & Schnürer, 2009). Däremot rekommenderar Carlsson & Schnürer (2011) en organisk belastning på cirka kg VS/m 3 vätska för substrat innehållande lättnedbrytbara ämnen. Ett substrat som innehåller ämnen som är toxiska för mikroorganismerna i processen kan behöva spädas ytterligare för att undvika inhibering (Carlsson & Schnürer, 2011). När optimal belastning är uppnådd bör den hållas konstant under hela driften (Jarvis & Schnürer, 2009) Omrörning Enligt Jarvis & Schnürer (2009) är det fördelaktigt att använda sig av någon typ av omrörning under rötningsprocessen; omrörningen förbättrar tillgängligheten av substrat till mikroorganismerna och ger en jämn temperaturfördelning i reaktorn. Jarvis & Schnürer (2009) påpekar även att omrörningen är speciellt viktig för hydrolysen så att de hydrolytiska mikroorganismernas enzymer kan spridas så att de får nära kontakt med de molekyler i substratet som de ska bryta ner. Vidare menar de att omrörning motverkar sedimentering av material och mikroorganismer, minskar risken för skumbildning samt gynnar aggregatbildning. Aggregat innebär att mikroorganismer växer tätt tillsammans i klumpar vilket är bra då det underlättar deras nära samarbete och därmed förbättrar utbytet av vätgas mellan acetogenerna och metanogenerna. Även om omrörningen till största del är positiv för rötningsprocessen är det viktigt att den hålls på en optimerad nivå. För kraftig omrörning kan förstöra aggregaten som bildas mellan mikroorganismerna och därmed försvåra vätgasöverföringen mellan de syntrofiska grupperna (Jarvis & Schnürer, 2009). När metanutbyte- och produktion mättes i omrörd respektive icke omrörd labbskalereaktor för anaerob rötning av Tian et al. (2013), visade det sig att det var lägre metanproduktion i den omrörda tanken trots att de valde en omrörningshastighet som låg i den nedre delen av det rekommenderade området. Även då den aktiva ympen från den icke-omrörda reaktorn byttes till en omrörd och då ympen från den omrörda reaktorn placerades i en icke-omrörd erhölls liknande resultat. Det noterades även att den icke-omrörda rötkammaren innehöll fler olika arter av mikroorganismer (Tian et al., 2013). Carlsson & Schnürer (2011) rekommenderar omrörning för labbskalereaktorer för att få bättre kontakt mellan mikroorganismer och substrat. För satsvisa flaskförsök rekommenderar de att flaskorna skakas för hand cirka 1 gång om dagen (Carlsson & Schnürer, 2011). 15

28 3.3.5 COD:N:P förhållande och C/N kvot För rötning säger tumregeln att COD:N:P förhållandet bör vara 250:5:1 (Jonstrup et al., 2011). I en studie av Ammary (2004) beskrevs däremot att de två industriella avloppsvatten som behandlades krävde mycket lägre koncentrationer av kväve och fosfor än vad som rekommenderas av tumregeln. För rötning av avloppsvatten från olivkvarnar har studier visat att ett COD:N:P förhållande på 900:5:1,7 kunde uppnå mer än 80 % reduktion av COD. Detta skulle i så fall betyda att även om mängden näringsämnen inte lever upp till tumregeln är det inte säkert att det behöver adderas extra kväve- eller fosforrika ämnen (Ammary, 2004). Ett annat sätt att utvärdera ett substrats lämplighet är att undersöka förhållandet mellan kol och kväve i processen, den så kallade C/N-kvoten. Om denna kvot blir för låg finns det risk för att processen hämmas av ammoniak, och om den blir för hög finns det risk att bakterierna har kvävebrist. En optimal C/N-kvot bör ligga mellan 15 och 25 (Jarvis & Schnürer, 2009). 3.4 Toxiska/inhiberande ämnen Industriella avloppsvatten har stora möjligheter att vara attraktiva substrat till anaeroba rötningsprocesser men på grund av biogasprocessens känslighet är det viktigt att vara medveten om vilka hämmande substanser som kan finnas i substratet. Då inhibering förekommer märks det ofta genom att vissa grupper av mikroorganismer (ofta metanogener) får minskad tillväxthastighet och därmed minskar i population samt att metangasproduktionen avtar (Chen et al., 2008). I vissa fall återhämtar sig mikroorganismerna efter inhiberingen men i extremfall är den toxiska effekten icke reversibel. Ett specifikt ämnes toxicitet kan variera från process till process och beror bland annat på omgivande faktorer som exempelvis temperatur, ph, koncentration med mera. Även förekomsten av andra inhiberande ämnen kan påverka toxiciteten genom så kallad antagonism (att de toxiska ämnena tillsammans ger en lägre inhiberande effekt), synergism (att de toxiska ämnena tillsammans ger en högre inhiberande effekt) eller komplexbildning (de toxiska ämnena binds till varandra eller till andra ämnen). Mikroorganismerna kan i vissa fall acklimatisera sig till en högre koncentration av ett hämmande ämne genom gradvis ökning av koncentrationen (Jarvis & Schnürer, 2009). Det är mycket stor variation i litteraturen angående hur mycket av ett ämne som krävs för att uppnå en toxisk effekt, vilket till stor sannolikhet beror på ovan nämnda faktorerna. Exempel på ämnen som kan verka toxiskt på rötningsprocessen är ammoniak, diverse katjoner, tungmetaller, sulfider, organiska ämnen så som föreningar med bensenring, halogenerade alifatiska kolväten, organiska kväveföreningar, långa fettsyror och ligninämnen (Chen et al., 2008). Även sulfater kan ha negativ inverkan på biogasprocessen då höga sulfatinnehåll gynnar de sulfatreducerande bakterierna. Enligt Jarvis och Schnürer (2009) kan COD/Sulfat-ration användas som en riktlinje vad gäller sulfatinhibering. Med en COD/Sulfat-ratio på över 2,7 kommer metanbildarna att vara dominerande men om ration går under 1,7 kommer de sulfatreducerande bakterierna ta över mer vilket kan leda till minskad biogasproduktion (Jarvis & Schnürer, 2009). Ett annat stort problem med högt sulfatinnehåll är de luktproblem som uppstår då svavelväte bildas. 16