Presentation av kommunens samrötningsanläggning

Transkript

1 Presentation av kommunens samrötningsanläggning Biogasprocessen och energiproduktion i sin helhet Rötning med olika råmaterial Bildkälla: Yrkeshögskolan i Hallsberg Biogasteknik 2013 BG 4 Grupp C.R.A.M.P.N

2 Förord Denna rapport är skriven av Regina Eriksson, Adam Gustafsson, Pär Ländin, Christina Lyktberg och Mona Kwok. Projektledare var Niklas Ek. Handledare var Anders Magnusson. Vi har fått i uppgift att beskriva vår anläggning för en praktikant som vi ska ta emot på anläggningen. Målet är att vi ska lära oss hur en anläggning fungerar och hur biogasprocessen går till. Vi vill tacka... Anders Magnusson, Nitoves Pia Mollberg, Jordberga

3 Sammanfattning Det första steget i vår anläggning är mottagningen där vi tar emot våra substrat som är matavfall från hushåll, slaktavfall och flytande gödsel. Substratet förbehandlas sedan i en Food Waste Mill till en slurry som går vidare till hygienisering. Nästa steg är själva rötningen som sker mesofilt i vår rötkammare. Den färdiga gasen uppgraderar vi till fordonsgas med hjälp av vattenskrubber. Vi får även fram en rötrest som transporteras ut till närliggande lantbrukare. Biogasprocessen är en känslig process och det är många faktorer som spelar in för att det ska bli lyckat. Det är viktigt att man övervakar processen och ser till en checklista när man upptäcker att något inte är som det ska. Den viktigaste faktorn att övervaka är processens belastning, tillförseln av substrat, och är huvudorsaken till många problem och avvikelser i processen däribland hämmande syror. Övervakningen av driftparametrar har en stor betydelse för biogasanläggningen. Genom olika metoder och beräkningar övervakar man olika parametrar och styr biogasproduktionen i anläggningen. Vid fel gällande dessa parametrar påverkas processen och metanutvinningen kan minska i anläggningen. Driftparametrar som övervakas i anläggningen är bl.a. temperatur, belastning, uppehållstid, utrötningsgrad, omrörning, ph och alkalinitet, C/N-kvot, VFA och gasproduktion.

4 Innehållsförteckning Allmän beskrivning av anläggningen... 1 Mottagning... 1 Förbehandling... 1 Hygienisering... 1 Rötkammaren... 2 Rötrest... 2 Uppgradering... 2 Processen från råmaterial till biogas... 3 Mottagning och förbehandling... 3 Hygienisering... 4 Rötprocessen... 4 Uppgradering... 5 Rötrest... 5 Processövervakning av driftparametrar... 6 Temperatur... 6 Belastning... 6 Uppehållstid... 7 Utrötningsgrad... 7 Omrörning... 7 ph och alkalinitet... 8 C/N-kvot... 8 VFA... 9 Gasproduktion... 9 Mesofila och termofila driftparametrar... 9 Checklista vid driftstörningar Orsak och åtgärder för överflöd av organiska syror i rötkammaren, samt för låg volym av rötgas Fett- och proteinhalter Utrötningsgraden C/N-kvotens influens Vad kan jag göra? Hur påverkas våra substrat? Diskussion Källförteckning... 19

5 Allmän beskrivning av anläggningen Hej och välkommen till kommunens biogasanläggning och samrötningsanläggning C.R.A.M.P.N. i Hallsberg där vi har kontinuerlig våtrötning. Vi hoppas att din rundtur blir givande och intressant. Ställ gärna frågor under tiden så ska vi försöka svara på dessa om vi kan annars tar vi med oss frågorna och återkommer med svar. Då börjar vi. Mottagning Det första vi kommer till är vår mottagning där avfallet hamnar. Vi har två olika enheter, en sluten tank och en tippficka. Vi tar emot flytande gödsel från några svingårdar som finns i vår närhet, hushållsmatavfall från kommunen och mjukdelar från slaktavfallet från ett antal lokala köttproducenter. Den flytande gödseln transporteras i tankbilar för att sedan pumpas in i vår separata tank. Matavfallet transporteras med kommunens renhållningsbilar direkt till vår tippficka. Slaktavfallet hämtas kontinuerligt och tippas i fickan. Förbehandling För att vårt avfall skall kunna komma vidare i vår process måste vi förbehandla substratet 1. I botten på tippfickan finns matarskruvar som driver fram avfallet till kvarnen där det slås sönder och separeras från förpackningar och annat som vi inte kan använda. Massan som blir kallas för slurry. För att den inte ska bli för torr och hård så tillsätter vi flytande gödsel så att det blir pumpbart. Innan slurryn hamnar i hygieniseringstankarna så åker den under en stor magnet som fångar upp metalldelar som vi inte vill ha med in i processen. Skräpet som blir över kallas för rejekt och det skruvas ut 2 för att gå vidare till förbränning som sker på kommunens sopförbränning då vi inte har den möjligheten på vår egen anläggning. 3 Hygienisering Eftersom vi hanterar matavfall, flytande gödsel och slaktavfall så skall vi även hygienisera substratet, vilket innebär att vi värmer upp det till 70 C i minst 60 min för att få bort smittoämnen som salmonella 4. Allt enligt regelverket 5. Här har vi tre tankar som fylls på och töms allt eftersom hur processen framskrider. 1 Anvisningar för biogasanläggningar BGA Förbehandling av matavfall för biogasproduktion-avfall sverige, PDF-fil sid 22,

6 Rötkammaren Efter hygieniseringen så pumpas slurryn in i rötkammaren med hjälp av en centrifugalpump. För att substratet inte skall vara för varmt när den kommer till kammaren så går den igenom en värmeväxlare som kyler ner slurryn till rätt temperatur. Vi använder en mesofil rötningsmetod med 37 C. Min kollega Niklas kommer att förklara mer närmare hur vår rötkammare är uppbyggd och fungerar. I rötkammaren har vi strålomrörare 6 som ser till att blanda om substratet så alla små mikroorganismer, mikrober, når allt material för att rötningen/nedbrytningen skall bli så effektiv som möjligt. Det finns metanogena archeae och fermentationsbakterier. Uppehållstiden kan variera beroende på vilka substrat som används men på vår anläggning har vi en uppehållstid på 40 dagar i rötkammaren och 20 dagar i avgasningstanken. Här är det väldigt viktigt att vi har rätt temperatur, substratet måste blandas i rätt mix för att vi ska få ut maximal utvinning samt även ha rätt balans på C/N-kvoten (kol/kväve) 7. Vi jobbar efter checklistor så att vi har rätta driftparametrar samt hur vi åtgärdar eventuella störningar. Rötrest Efter denna rötbehandling så har vi nu fått en rågas, metangas, att stiga i rötkammaren och rötresterna ligger kvar på botten. Rötresterna pumpas ut ur rötkammaren till en avgasningstank där den lösta gasen samlas upp och rötningsprocessen ges tid till att avstanna 8. Efter avgasningen så pumpas resterna vidare till avvattning. Vi centrifugerar resterna så vi kan återvinna den flytande rötresten och återföra det till processen vid mixning av substratet. Den flytande resten samlas i en bufferttank. Den fasta rötresten förs till ett mellanlager och väntar på transport till närliggande gårdar. Den kan nu användas som biogödsel till jordbruket. Den innehåller väldigt mycket näringsämnen som är bra för tillväxten på åkrarna. Uppgradering Metangasen trycks ut ur kammaren till en gasklocka. Gasklockan fungerar som ett buffertlager för gasen. Den används för att se till att hålla konstant tryck i gassystemet 9. Jämför gasklockan med en lunga som kan variera sin volym. Överflödig gas facklas bort. För att uppgradera metangasen till fordonsgas så tvättas den med en vattenskrubber för att absorbera koldioxiden. För att den ska få kallas fordonsgas ska den innehålla 97 % metan PP BG-Föreläsning-1, sid 29, Anders Magnusson, Nitoves, PP BG-BIENRÅRÖ-Föreläsning-2, sid 29, Anders Magnusson, Nitoves Basdata om biogas

7 Processen från råmaterial till biogas Mottagning och förbehandling I vår samrötningsanläggning behandlar vi substrat som matavfall från hushåll, flytande svingödsel och slaktavfall. Vi har två olika mottagningsenheter, en tank för flytande material som gödsel sen har vi en tippningsficka för det fasta materialet som matavfall och slaktavfall. Tippfickan är försedd med skruvar i botten som driver matavfallet vidare till sönderdelning och separation. Innan materialet går vidare till rötkammaren måste det förbehandlas. 11 I vår anläggning använder vi en Food Waste Mill för sönderdelning och separation av material såsom förpackningar och annat oönskat material. Food Waste Mill slår sönder materialet med hjälp av slagor och såll monterade på en roterande axel. En stor fördel med Food Waste Mill är att den klarar av alla typer av matavfall vilket är bra för oss då vi även behandlar slaktavfall. Man behöver inte heller använda sig av någon annan förbehandling då den kan hantera allt förpackat matavfall. Det är även här vi får användning av vår separata tank av flytgödsel då vi använder den som spädvätska för att få en pumpbar slurry. Vi måste även tillsätta vanligt rent vatten för att våra substrat innehåller mycket kväve. Slurryn hamnar på ett transportband som går under en magnet som avskiljer eventuella metaller som konserver och bestick som kan ha kommit med vid sortering i hushållen. Nu trycks slurryn genom en hålskiva med 15mm hål för att avskilja rejektet från slurryn som med hjälp av en centrifugalpump drivs vidare till vår hygienisering. I en öppning i botten samlas rejekt upp och skruvas ut. 12 Rejekt innehåller det material som inte är pumpbart, som bland annat förpackningar, och går vidare till förbränning på kommunens sopförbränning då vi inte har den möjligheten att göra det på vår egen anläggning. 13 Bilden visar en Food Waste Mill som vi använder på vår anläggning. 11 Anvisningar för biogasanläggningar BGA Förbehandling av matavfall för biogasproduktion-avfall sverige

8 Hygienisering Då vi använder substrat med animaliskt ursprung i vår anläggning måste det hygieniseras innan rötning. Det är ett regelverk som kontrolleras av Jordbruksverket i Animaliska biproduktsförordningen och innebär att allt material ska hettas upp till 70 C under 60 min. 14 I vår anläggning görs det i tre stycken förslutna och isolerade tankar som är utrustade med propelleromrörare. Vår hygienisering sker satsvis för att kunna förse vår rötkammare med substrat vid behov. 15 För att få rätt temperatur för hygienisering så pumpas slurryn med hjälp av en centrifugalpump genom en extern värmeväxlare. På samma sätt kyler vi ner slurryn efter hygienisering för att uppnå rätt temperatur för en mesofil rötning i nästa steg. 16 Rötprocessen Nu när vårt substrat är hygieniserat är det dags att starta själva rötprocessen. Detta sker i en anaerob rötkammare med en volym på 4000Nm³ genom mesofil rötning, det vill säga ca 37 C. Slurryn som är nedkyld till 37 C efter hygienisering pumpas in med hjälp av en centrifugalpump. För att kunna hålla temperaturen i rötkammaren så är den försedd med varmvattenslingor på insidan. Med hjälp av strålomblandning så sker en effektiv omrörning av slurryn. Vi har även möjlighet att dämpa skumning med dysor som tillsätts uppifrån. Vi tillsätter även järnklorid för att få bort svavelväte som har en förmåga att skada mekanisk utrustning. 17 Vi har även en säkerhetsventil ifall det skulle bli haveri i processen för att snabbt och säkert kunna tömma ut innehållet utan att riskera miljön och säkerhet. Det första som sker i rötprocessen är en så kallad hydrolys där mikroorganismer delar sönder de komplexa föreningarna till enklare föreningar som bland annat aminosyror och socker. Steg två innebär fermentation (jäsning) något som bildar mellanprodukter som bland andra alkoholer, fettsyror och vätgas. I steg tre som är det sista steget av de tre huvudstegen är det dags för själva metanbildningen. De så kallade metanbildarna är mikroorganismer som kräver mycket av sin omgivande miljö. De har en långsam tillväxt och skulle de komma i kontakt med syre dör de och metanbildningen skulle avta. De har stor känslighet för temperaturförändringar och är även i behov av vissa spårämnen och vitaminer Biogas ur gödsel, avfall och restprodukter-goda svenska exempel Hygienisering vid biogasanläggningar Pp föreläsning Anders Magnusson-Nitoves Pp föreläsning Anders Magnusson-Nitoves Anvisningar för biogasanläggningar BGA

9 Vårt lågtrycksgassystem samlar upp den färdiga gasen, vilken består till största del av metan och koldioxid. Kondensfällan fångar upp kondensen som bildas när den varma gasen kyls ner när den färdas från rötkammaren till gasklockan som är ett slags lagringssystem. 19 Gasklockans uppgift är att behålla trycket i gasen och det är även gasklockan som avgör nivån vid gasproduktion. På vår anläggning är gasklockan en cylinderformad behållare som justerar volymen genom att höjas och sänkas. Gasklockan har även som uppgift att avgöra när det är behov av att starta facklan. Vi använder oss av en fackla med dold låga. Det vill säga att lågan är dold av ett isolerat skyddsrör, något som är bra för att skydda lågan mot exempelvis vind för att minska eld spridning. När man pratar om att fackla bort biogas så är det helt enkelt att man bränner bort överskottsgas. Gasklockan trycker sedan vidare gasen till vår uppgraderingsanläggning. 20 Uppgradering Så här kan en kondensfälla se ut. Uppgradering av biogasen till fordonsgas i vår anläggning sker genom så kallad vattenskrubber. Det går till så att man absorberar koldioxiden i vatten med hjälp av genomblåsning av luft och trycksänkning och på så sätt får fram en gas med en metanhalt på 97 %. 21 Rötrest I rötprocessen får man även fram en så kallad rötrest. Rötresten förs ut ifrån botten av rötkammaren och vidare till en avgasningstank där nedbrytning och gasproduktionen avstannar vilket leder till minskade utsläpp av metan. Innan rötresten går till våra två bufferttankar centrifugeras den och den fasta massan hamnar i en buffertank och flytgödsel hamnar i den andra. Den fasta biogödseln ska sedan transporteras ut till närliggande gårdar för användning som gödsel på åkrarna. Transporten av biogödseln från vår anläggning sker i tankbilar. Vår biogödsel är certifierad av Certifierad Återvinning enligt SPCR120 vilket bland annat innebär att den måste vara fri från salmonellabakterier. 22 En del av flytgödseln återanvänds i förbehandlingsprocessen och resten blir en kväverik rötrest som används som flytande biogödsel. Se bilaga 1 för processchema Anvisningar för biogasanläggningar BGA Basdata om biogas Anvisningar för biogas anläggningar BGA

10 Processövervakning av driftparametrar Driftparametrar har en stor betydelse för biogasanläggningen. Genom olika metoder och beräkningar övervakar man olika parametrar och styr biogasproduktionen i anläggningen. Vid fel gällande dessa parametrar påverkas processen och metanutvinningen kan minska. Temperatur En viktig faktor i produktionen är temperaturen. Genom att den ska hållas konstant för största tillväxten av bakterier är detta en parameter som är viktig att kontrollera. När syre finns med i nedbrytningsprocessen alstrar processen värme automatiskt i reaktionen. När man då producerar metan i anaerob miljö frisätts inte lika mycket värme och den värme som utvinns tillsätts slutprodukten(metanet) istället. Det gör att vår slutprodukt blir energirik och mer brukbar. Men samtidigt behöver man då tillsätta värme för att mikroorganismerna ska trivas i miljön. Den temperaturen som behövs i processerna varierar beroende på vilken rötningsmetod man använder sig av. I en mesofil process använder man runt 37 C och i en termofil process ca 55 C. Båda processerna gynnar de olika organismernas tillväxts temperatur och gör att de trivs. Organismerna är känsliga för temperaturändringar och processen klarar en förändring på ± 0,5 C. Processen kan även klara större förändringar men då kan stabiliteten i processen rubbas och i värsta fall kan mikroorganismerna dö av scenariot. Eftersom att substraten har olika temperaturer när det kommer in i rötkammaren kan nedkylning eller uppvärmning av substratet innan rötning vara nödvändigt. Det kan som exempel vara bra att kyla ned substrat som hygieniserats i 70 C samt värma upp substrat som fraktats under kalla förhållanden för att inte rubba stabiliteten i den biologiska processen. För att då åstadkomma en jämn trivsam temperatur i rötkammaren för mikroorganismerna kan en viss omrörning vara nödvändig för att fördela värmen bättre samt att kammaren är värmeisolerad för att inte spilla bort värme i omgivningen och spara energi. 23 Belastning I rötkammaren bryts nytt organiskt material ned hela tiden. För att inte processen ska stanna när substratet är nedbrutet måste man fylla på substrat i kammaren kontinuerligt. Detta kan man ange som organisk belastning(olr) och benämns av hur mycket nytt organiskt material som tillförs per tidsenhet. För att processen ska få rätt belastnings finns två begrepp att ta hänsyn till när det gäller substratet, torrsubstans (TS) och organisk substans (VS). Dessa två begrepp delar in substratet så att torrsubstansen är det material som finns kvar om man torkar ut materialet från allt vatten och den organiska substansen(även nämnt som volatil solids) anger hur stor del organiskt material torrsubstansen har. I början av processen när organismerna inte har stor tillväxt kan man inte belasta dem särskilt mycket. När de däremot har växt till sig kan man ha större belastning på varje organism och röta mer substrat samtidigt s ,

11 Om man mot sin förmodan belastar organismer för mycket så att de inte hinner bryta ner substratet tillräckligt kan det bildas fettsyror bland annat som kan medföra att ph-värdet sjunker i rötkammaren och det bildas obalans i processen. Andra orsaker som kan bidra till att processen inte klarar en viss belastning är temperaturförändringar, spårämnesbrist osv. 24 Uppehållstid Detta är då tiden som det tar att byta ut all organiskt material i rötkammaren. Beroende på hur mycket man belastar processen i rötkammaren varierar volymen organiskt material i kammaren. Volymen på det organiska materialet som finns i rötkammaren förändras hela tiden då en del av materialet omvandlas till gas i form av koldioxid och metan. Det gör att massan blir mindre när det är nedbrutet än det ursprungliga materialet. Uppehållstiden beror alltså på hur stor rötkammaren är, hur mycket man belastar den och vilka substrat som rötkammaren innehåller. Olika substrat som rötas har olika uppehållstider och genom att blanda vissa substrat, som i samrötningsanläggningar, kan kombinationen göra att substratet får kortare uppehållstid. Man försöker att hålla en konstant volym genom att ta ut nedbrutet material ur rötkammaren samtidigt som man tillför nytt substrat. Oftast blir belastningen av substrat högre än vad som bryts ner fullständigt i kammaren för att den s.k rötresten avger en del av sin massa i form av gas och dessutom innehåller en stor del vatten. Det betyder att man tillför mer substrat än organismerna hinner bryta ner och därför får man ta ut en del av innehållet i rötkammaren. Man pratar om hydraulisk och partikulär uppehållstid. Vanligast när det gäller uppehållstid nämns hydraulisk uppehållstid (HLR) som brukar vara runt dygn eller mer. Partikulär uppehållstid anger uppehållstiden för det partikulära materialet (SRT). Den hydrauliska och partikulära uppehållstiden brukar vara samma men i vissa fall, kan de ta olika lång tid på sig att verka då mikroorganismerna behöver längre tid på sig att bryta ner den ingående substansen av det organiska materialet. Exempelvis vid rötning av industriellt avloppsslam då man återför en del av rötresten till processen för att utvinna mer metangas. 25 Utrötningsgrad Denna grad är ett mått i procent på hur mycket av det organiska materialet som brutits ner och bildat biogas under en viss tid. Utrötningsgraden påverkas av vilket substrat du väljer och om man väljer satsvis eller kontinuerlig rötning. I en satsvis process kan utrötningsgraden vara 100 % men det är varken lönsamt eller effektivt då det produceras som mest metan i början av processen. Olika substrat har olika procentuella nedbrytningsgrader beroende på var de består av och hur ämnet ser ut molekylärt. Omrörning De flesta rötkammare har någon form av mekanism där man rör om substratet. Detta görs för att organismerna ska komma åt all substrat och hålla en bra och jämn temperatur. Man använder också dessa omrörare för att inte substrat ska hamna på botten utav kammaren och för att förhindra skumbildning. Man ska däremot inte blanda för aggressivt i kammaren då organismerna ofta sätter sig samman i klumpar för effektivare nedbrytning och då istället kan delas och forslas ut i vattnet. Det är lättare att blanda om material med låga TS- halter än höga då materialet innehåller mycket vätska s.24-25, s s

12 ph och alkalinitet ph-värdet är viktigt att tänka på då ett för högt värde kan leda till förstörda processer i tanken. phvärdet ska ligga mellan 7,0 8,5 för en bra balans. För att lyckas med denna balans behöver man ha koll på alkaliniteten. Detta är då ett mått på hur stor mängd alkaliska (basiska) ämnen det finns i processen. Dem alkaliska ämnena hjälper processen att hålla ph-värdet genom deras buffertförmåga. De ämnen som främst konkurrerar med varandra är karbonatjonerna och kolsyra mot koldioxiden. Se ekvationen nedan: CO2 + H2O < > H2CO3 < > HCO3 - + H + < > CO H + CO2= koldioxid H2O= vatten H2CO3= kolsyra HCO3 - =bikarbonatjon H + =väte CO3 2- =karbonatjon Alkalinitet kan mätas som totalalkalinitet (TA) och bikarbonatalkalinitet (BA). BA mäts i mg bikarbonat (HCO3) per liter. Alkaliniteten påverkar organismernas produktion av metan genom att antingen syraproduktionen är för hög (alkaliniteten är då låg) eller om syraproduktionen är för låg (alkaliniteten är hög). Är alkaliniteten låg kan det hämma produktionen för organismerna och är den för hög kan ammoniak frigöras och hämma dem. Därför är jämn alkalinitet viktig och skulle den av händelse vara ur balans kan det varna om att ph-värdet kan komma att förändras. Det värsta scenariot är dock att det är låg alkalinitet och lågt ph för då kan inte processen stabilisera sig och miljön kan komma att förstöras för organismerna i rötkammaren. Man kan dock tillfälligt stabilisera ph och alkalinitet genom olika tillsatser av ämnen i processen. 27 C/N-kvot C/N-kvot betyder kol/kväve-kvot och beskriver förhållandet mellan kol och kväve innehållet i substratet. Detta har betydelse för det organiska ämnets nedbrytbarhet. 28 Om kvoten av händelse skulle bli för låg (kvävehalten dominerar över kolhalten) kan processen drabbas av ammoniakhämning, jämvikten mellan ammoniak och ammoniumjonerna rubbas och det kan leda till hämning av aktivitet eller död för mikroorganismerna 29. I omvänt perspektiv där kolhalten dominerar över kvävehalten kan bakterierna uppleva kvävebrist som kan leda till att organismernas aktivitet avtar 30. I regel är det svårt att balansera kvoten då olika substrat har olika egenskaper samt att olika processer för framställning av biogas kräver olika kvoter av kol och kväve s sida

13 VFA VFA betyder volatile fatty acids (flyktiga fettsyror) och visar mängden organiska syror i substratet. 32 VFA påverkar alkaliniteten genom att man kan behöva tillsätta mer basiska ämnen för att neutralisera ph värdet i substratet. Den huvudsakliga anledningen till att VFA värdet stiger är att belastningen är för hög (att organismerna inte hinner bryta ner substratet och då bildas fettsyror). Däremot kan processens förmåga att klara en viss belastning bero på bl.a. temperatur förändringar. Vid höga VFA halter påverkas processen oavsett temperatur och då kan gasproduktionen minska. Dock kan sjunkande temperaturer leda till stigande halter av VFA och även då kan produktionen av gas minska. 33 Gasproduktion Produktionen av gas påverkas av alla driftparametrar i en biogasanläggning. Om något inte övervakas rätt i produktionen av biogas kan gasproduktionen bli mindre eller stanna av helt. Om alla parametrar övervakas och fungerar som de ska kan man få en bra produktion av biogas och därför är det viktigt att hålla koll på vad som påverkar vad i processen. Om man upptäcker att gasproduktionen minskar vet man att något är fel i processen. Däremot finns inga anvisningar när det gäller värden och halter av ämnen i substansen, för att uppnå optimal produktion av biogas krävs det att man testar sig fram. Temperaturen är en viktig del i processen. Om den är för hög kan mikroorganismer skadas eller dö men samtidigt kan högre temperaturer gynna tillväxten på organismerna så att de producerar mer metan på kortare tid. Dock är kvantiteten av mikrober ännu viktigare än hur stora de är. Men om de får leva i rätt miljö blir de starkare och om de samtidigt är många kommer produktionen av gas bli stor. Den organiska belastningen styr hur mycket du belastar organismerna med substrat. För att gasproduktionen ska bli stor måste du belasta dem utifrån deras tillväxthastighet. Alltså när organismerna är små klarar de inte lika stor belastning som när de växt till sig. Skulle man då pressa organismerna för mycket kan konsekvenser som bildning av fettsyror och lågt ph förekomma. Men belastar man inte organismerna kan också processen stanna av och då produceras ingen metan. Alla parametrar som nämnts i rapporten är beroende av varandra och som sagt finns inga genvägar om man vill uppnå maximalproduktion av gas. Det som alla parametrar har gemensamt är att alla värden av ämnena i substratet varierar beroende på vad du använder för substrat och dess ämnessammansättningar molekylärt. Tar man hänsyn till alla parametrar kan man räkna med att produktionen av biogas blir bra och det är därför det är viktigt att så ofta som möjligt ta prover och värden i rötkammaren för analys. Mesofila och termofila driftparametrar Den största skillnaden mellan mesofila och termofila processer är temperaturen. I en mesofil process ska temperaturen vara runt 37 C och i en termofil process runt C. Det finns dock andra viktiga aspekter att ta hänsyn till om den mikrobiella processen ska fungera. Rätt mikrober är en förutsättning för att substratet ska rötas. Mikroberna kan delas in i olika grupper beroende på vilken miljö de kommer ifrån och temperaturen i dess miljö. I en mesofil anläggning trivs metanogena mesofila arkéer bl.a. människans tarmbakterier(esherichia coli) som växer bäst vid 37 C (vilket också är ett mesofil temperaturområde). I en termofil anläggning behövs metanogena arkéer som tål ett termofilt temperaturområde runt C Powerpoint av Anders Magnusson, BG-BIENRÅRÖ-2, Powerpoint av Anders Magnusson, BG-BIENRÅRÖ-2, s

14 Uppehållstiden varierar för båda processerna och vanligtvis har den termofila processen kortare uppehållstid än den mesofila. Skillnaden är att den termofila processen arbetar snabbare under högre temperaturer och behöver inte lika lång tid i rötkammaren. Uppehållstiden varierar givetvis av vilket substrat du använder och svårnedbrytbara material kan behöva lång uppehållstid. Uppehållstiden för en mesofil process är minst dygn och termofila processer kan klara sig med 12 dygn. Vanligtvis rötar man substratet längre i samrötningsanläggningar med en så kallad efterrötning för att optimera gasproduktionen. 35 Det gäller att man har rätt mängd och balans av substrat i processen. Om man utgår från en väl fungerande termofil process kan den belastas med mer organisk substans i början är en mesofil process kan. 36 Detta beror bland annat på att den termofila processen går snabbare (kortare uppehållstid) men det betyder också att den är mer instabil än den mesofila processen. I regel kan man belasta processen hårdare i vissa fall men det kan också leda till att man rubbar balansen i processen (se graf nedan på skillnaden i belastning 37 ) s s s

15 Rätt balans (C/N-kvot) är viktigt oavsett om man arbetar med en mesofil eller termofil process. Däremot finns en viktig nackdel med den termofila processen när det gäller C/N-kvoten. Om man använder sig av substrat med höga proteinhalter frigörs mycket ammoniak/ammonium i processen och ammoniak har en hämmande effekt på organismerna. Ammoniakhalten ökar i relation med ammonium vid ökande ph och temperatur. Då den termofila processen har högre temperatur kan den visa hämmande organismproblem tidigare än de mesofila processerna. Därför är det viktiga att man som exempel inte rötar proteinrika substrat som slaktavfall i termofila processer, för att undvika att organismerna hämmas av ammoniaken. 38 Eftersom att termofila processer är snabbare processer och har kortare hydraulisk uppehållstid kan man starta upp anläggningen och få igång metanproduktionen snabbare. Men då är det extra viktigt att se till att balansen inte rubbas på vägen. I en mesofil process kan det vara lättare att åtgärda eventuella fel i processen och balansera upp processen då den är lite säkrare och hållbarare. Däremot kan man inte säga att en termofil process har större metanpotential för att den går snabbare då många aspekter spelar in. I längden kan man tjäna på att använda sig av den mesofila processen bara allt fungerar som det ska s

16 Checklista vid driftstörningar Minskad gasproduktion Överbelastning Ökande halter av VFA, fettsyror (och/eller ammonium) Det förekommer hämmande ämnen, t.ex. ammoniak ph-förändringar Temperaturförändringar Skumning Dålig omrörning För mycket fetthaltiga substrat Svår nedbrytbart material (höga halter av LCFA. Se under Fett- och proteinhalter sid 15) Övriga orsaker för minskad gasproduktion Ändrad sammansättning - Spårämne brist (metaller) och vitaminer - För lite näringsämnen och för mycket hämmande ämnen t.ex. kväve, svavelväte. C/N kvoten Fel mängd substrat = dålig utröstningsgrad - HLR metanbildarna hinner ej fördubbla sig - SRT för kort uppehållstid i rötkammaren innebär att substratet inte hinner brytas ned ordentligt - OLR kommer det in för mycket nytt substrat spolas metanbildarna ut och substratet hinner ej brytas ner ordentligt 12

17 ÅTGÄRDER Överbelastning Ökande halter av VFA fettsyror (och/eller ammonium) Påverkas av att det är för hög belastning. Dra ner på belastningen, minska tillförseln av substrat eller förlänga uppehållstiden. Det förekommer hämmande ämnen t.ex. ammoniak För att minska på ammoniaken kan man minska andelen proteinrik substratet eller genom samrötning minska på ammoniaken. Detta är även kopplat till åtgärder för fettsyror. ph-förändringar Sjunkande ph beror på att buffertförmågan är förbrukad. Tillsätt buffrande ämnen för att lösa detta tillfälligt t.ex. kalk, ammoniak och lut. Kalk kan snabbt öka ph värdet men bidrar tyvärr inte till ökad alkalinitet. (se sid 8 under ph och alkalinitet). Vanligen så använder man sig av natriumkarbonat, natriumbikarbonat, kaliumkarbonat, kaliumbikarbonat som i sin tur är lättare att dosera. För att ordna problemet helt måste man minska syrabildningen. Vid för hög alkalinitet kan man tillsäta t.ex. järnklorid eller citrat. Temperaturförändringar Åtgärdas genom att kolla ifall omrörningen fungerar korrekt och se till ifall rötkammaren är tillräckligt värmeisolerad. Skumning Vid tillfällig skumning går det att tillsätta skumdämpande ämnen. Förekommer skumningen ofta måste man minska den organiska belastningen och/eller öka matningsfrekvensen (med bibehållen belastning). Man kan även förbättra förbehandlingen eller minska mängden lignin i det ingående substratet. Dålig omrörning Skumningen kan även bero på att omrörningen är dålig åtgärda detta genom att reparera/effektivisera strålomblandaren. För mycket fetthaltiga substrat Beror skumningen på för fetthaltiga substrat kan lösningen vara att samröta substratet med ett fettsnålare material. Svår nedbrytbart material Skumningen kan även bero på LCFA som är svårt nedbrytbart, för att åtgärda detta måste man minska belastningen genom att tillföra lite i taget oftare till processen. 13

18 Ändrad sammansättning Vid spårämnebrist tillsätt spårämnelösning till substratet. Det går även att samröta olika substrat för att få en bättre balans på spårämnen. En ökning av kvävehalten går oftast parallellt med en ökad fettsyra. För att minska kvävehalten gör detta; - Minska det proteinrika materialet, samröt substratet med material med lågt kväveinnehåll. Då bildas det mindre ammonium och så sjunker halten också stegvis. - Förlänga uppehållstiden så mikroberna hinner arbeta ikapp. - Minska uppehållstiden så substratet inte hinner bilda kväve. Värsta fall späda ut reaktorinnehållet med vatten, gödsel eller rötkammarinnehåll från en annan anläggning. Vid ökning av ammoniak och svavelväte kan man tillföra mindre kväverika substrat. Fel mängd substrat = dålig utrötningsgrad HLR förlänga uppehållstiden för metanbildarna i vätskan i rötkammaren. Man kan även förtjocka slammet före rötning så TS-halten och antalet aktiva mikroorganismer ökar. SRT förlänga uppehållstiden så mikroorganismerna hinner bryta ner partiklar i rötkammaren. Öka finfördelningsgraden på substratet. Byta ut svårnedbrytbart material till lättare nedbrytbart. OLR minska på mängden nytt substrat som tillförs in till rötkammaren. 39, BG-BIENRÅRÖ-föreläsning

19 Orsak och åtgärder för överflöd av organiska syror i rötkammaren, samt för låg volym av rötgas Fett- och proteinhalter Relativt lättnedbrytbara material kan ha en stor inverkan på mikrobiologin om halterna av fett och protein i den inkommande blandningen är för hög. Vid hydrolys av fett kan det produceras långa fettsyror, eller LCFA, som påverkar ph-värdet i rötkammaren genom att sänka den, om inte fettet kan konsumeras snabbt nog. Ammonium och ammoniak som bildas när protein bryts ner kan vara dödligt i höga halter för metanogenerna och på så sätt hämma produktionen av metan och volymen av rötgasen. För att undvika höga halter av syror och toxiner för metanogener måste man kunna uppskatta på ett ungefär hur sammansättningen av kolhydrater, fett och protein ser ut i blandningen som man pumpar in i rötkammaren då man samröter. Det kan också vara lämpligt att leverantören av substrat kan redovisa ordentligt vad substraten innehåller. 41 Utrötningsgraden Ju längre man låter ett substrat rötas i en kammare desto mer metan kan utvinnas, eftersom tiden som de verksamma mikroorganismerna kommer i kontakt med substratet som bryts ned förlängs. Man brukar prata om ett begrepp som kallas för utrötningsgrad, där man kan ange i procent hur stor del av substratet som omvandlats till biogas under en given tid. I teorin är en satsvis rötning bättre än den kontinuerliga, och kan hypotetiskt vara 100 % men oftast är det varken praktiskt eller ekonomiskt möjligt att ha en utrötningsgrad på 100 % i praktiken. En satsvis rötning producerar mest metan i början av uppehållstiden och avtar med tiden. Olika substrat kan också ha olika utrötningsgrader beroende på hur lättnedbrytbara de är. Pressvätska från sockerbetor kan ha en utrötningsgrad på ungefär 90 % medan fiberrika grödor kan ha en lägre grad på 60 % under en motsvarande tid. Ett substrat med lägre utrötningsgrad har större potential att producera metan när man efterlagrar i ett rötrestlager dit rötresten har pumpats efter uppehållstiden. Utrötningsgraden påverkas starkt av uppehållstiden och belastningen som tillämpas vid rötningen och har man en för kort uppehållstid vid hög belastning får man också en låg utrötningsgrad. C/N-kvotens influens Utrötningsgraden och tillväxthastigheten i substratet du använder påverkas också väldigt starkt av C/N-kvoten det vill säga hur låga respektive höga halterna av kol och kväve är, i förhållande till varandra, i substratet. En hög C/N-kvot, en låg halt av kväve i förhållande till kol, kan komma att sakta ner mikroorganismernas tillväxthastighet och på så sätt stanna av omsättningen av organiskt material. En låg C/N-kvot, där halten av kol istället är högre i förhållande till kvävet, ökar risken för ackumulering av den organiska syran ammonium som är toxisk för mikroorganismer. För att undvika ett överflöd av organiska syror och därmed en låg volym av metan i rötkammaren, är det alltså viktigt att man håller noga koll på C/N-kvoten Substrathandbok för biogasproduktion, 2009 Carlsson M och Uldal M, SGC Rapport Substrathandbok för biogasproduktion, 2009 Carlsson M och Uldal M, SGC Rapport

20 Vad kan jag göra? Åtgärder att vidta när man påträffar sjunkande ph-värde i substratet till följd av ansamlande syror kan till exempel vara att man tillsätter buffertämnen, alkaliska joner, för att motverka och kontra den mikrobdödande syrligheten. Ett annat sätt man kan åtgärda detta är genom att späda ut kammarens innehåll med vatten eller nytt gödsel som också kan ta med sig nya, friska mikroorganismer. För att motverka ansamlingen av ammonium kan man också dra ned på belastningen, tillförseln av nytt material till kammaren, för att lätta på mikroorganismernas stress och arbetstryck eller tillämpa en längre uppehållstid för att låta mikroorganismerna återhämta sig medan man kan ge sig själv tid att hitta problemet. En ansamling av ammonium och andra organiska syror betyder ofta att metanogenerna har blivit hämmade och fått en avstannad tillväxt eller att processen är för hårt belastad. Sockerrika substrat och samrötningsblandningar kan också betyda en hög C/N-kvot och den rekommenderade åtgärden är då att använda sig av ett annat substrat som är kväverikt, för att balansera upp kvoten. Blir en syra alldeles för svår att hantera i rötkammaren kan man tillsätta ett ämne såsom kalk för att ta hand om problemet och neutralisera ph-värdet men detta är ingenting som man bör ta för vana eller göra varje gång det uppstår ett syraproblem. 43 Hur påverkas våra substrat? Vi använder oss av gödsel, matavfall och fettrikt slakteriavfall i vår anläggning. Det fettrika slakteriavfallet är dåligt på att bidra med näring och alkalinitet i rötkammaren och kan på så sätt vara mer mottagligt för problem med organiska syror, men det proteinrika gödslet som vi även använder till utspädning i vår rötkammare är väldigt bra på att komplettera med näring och alkalinitet, även om gasutbytet från just gödsel inte är lika bra så är det en viktig del av vår produktion för att säkerställa en effektiv och felfri process. 43 Mikrobiologisk handbok för biogasanläggningar, 2009 Schnrer A och Jarvis ナ, Avfall Sverige Utveckling rapport U 2009:03. 16

21 Diskussion I vår anläggning har vi valt att använda centrifugalpumpar för att pumpa in slurryn till hygienisering och även in till rötkammaren. Anledningen till att vi har valt denna pump är att en centrifugalpump orkar att trycka slurryn genom våra värmeväxlare som i sin tur ser till att vi har rätt temperatur när slurryn trycks vidare till hygienisering och rötning. I en rötkammare måste det ske en ständig omrörning och det sker med hjälp av strålomblandning i vår rötkammare, vilket är en effektiv metod och det ger oss även möjligheter till att tillsätta dysor ovanifrån för att minska skumning. Att vi valde denna metod grundar också i att vi upplever att den medför minsta problem vid omrörningen. Som t.ex. att saker fastnar eller att det blir liggande i botten av kammaren och inte blir ordentligt blandat. Med tanke på att våra substrat innehåller mycket protein kan det leda till att vi får väldigt höga värden av kväve och ammoniak vilket vi försöker att förhindra genom att tillsätta rent vatten i processen. För höga värden av ammoniak kan leda till att C/N-kvoten blir för låg och hämnar därmed processen. Vi tillsätter även järnklorid i processen för att få bort svavelväte som kan skada mekanisk utrustning. Vår biogödsel transporteras av biogasdrivna tankbilar till de lantbrukare vi samarbetar med och vi jobbar också på att hitta en lösning där vi kan ta tillvara på den koldioxid som vi avskiljer vid vår uppgradering till fordonsgas. Då vi vill att den ska användas som näringsämne i ett växthus för att minska på vårt utsläpp och istället återanvändas. I vår samrötningsanläggning röter vi mjukt slaktavfall, gödsel och matavfall från kommunen. Vår certifierade biogödsel byter vi mot substrat med flera gårdar i området. Vi finansieras av bidrag och kommunen samt att vi får intäkter av biogasen som uppgraderas till fordonsgas. Syftet med samrötningsanläggningen och vårt val av substrat är att minska avfallet från hushåll och gårdar vilket leder till en hållbar avfallshantering i kommunen. För att metanutvinningen ska bli stor efterrötar vi substratet i en avgasningstank. Dessutom återanvänder vi vattnet som separerats från vår biogödsel för att späda ut substratet innan det förs in i rötkammaren. Dock kan vattnet från biogödsel innehålla en stor del ammoniak och det kan leda till att C/N-kvoten blir låg och det har hämmande effekter i processen. Det åtgärdar vi med att tillsätta en del nytt vatten för att späda ut ammoniaken. Vi tillsätter propan till fordonsgasen för att den ska få lika stor energiutvinning som naturgas. Detta för att gasen ska bli effektivare att använda i fordon. Vi distribuerar vår gas via gasledningar till närliggande kommuner och via lastbilar som körs på biogas. Med tanke på våra substrat röter vi i mesofil temperatur. Dels för att metanogena bakterier från gödslet kan föras in i vår anläggning och återanvändas till att producera metan, men också för att spara energi för att vi inte behöver värma upp anläggningen till en hög temperatur. Vi har valt en kontinuerlig rötning i vår anläggning då vi anser att det är med den metoden vi kommer kunna utvinna mest gas. 17

22 Processen behöver en konstant temperatur det har vi löst genom att värma upp rötkammaren med varmvattenslingor på insidan av kammaren. Anläggningen har varit igång ett tag och klarar en relativ stor belastning. Uppehållstiden i kammaren är 40 dagar och sedan efterrötas substratet i 20 dagar. Det ger en hög utrötningsgrad samtidigt som vi kan utvinna mycket metan eftersom att utvinningen är som störst i början av rötningen. Tack vare att vi tar till vara på matavfall från hushållen i kommunen så bidra vi till en hållbar avfallshantering. En annan fördel med vår anläggning är att vi uppgraderar biogasen till fordonsgas som inte har någon påverkan på växthuseffekten. En negativ aspekt med vår anläggning är att vi i nuläget endast har en rötkammare, vilket kan leda till totalt produktionsstopp om det skulle uppstå långvariga tekniska problem eller haverier, vilket på den positiva sidan är osannolikt då vi har valt att använda oss av strålomblandning som fördelaktigt är mycket mindre benägen att utsättas för tekniska svårigheter gentemot propellrar. Utifrån uppgifter i vår rapport finns det en uträkning på vår anläggnings gasproduktion se bifogad bilaga 2. 18

23 Källförteckning Internetkällor biobio.novia.fi Bildkällor: av matavfall för biogasproduktion RAPPORT U2009:03, Mikrobiologisk handbok för biogasanläggningar Källor från Föreläsningar PP BG-Föreläsning-1, Anders Magnusson, Nitoves PP BG-BIENRÅRÖ-Föreläsning-2, Anders Magnusson, Nitoves Litteraturkällor Rapport U2009:03 Mikrobiologisk handbok för biogasanläggningar. Basdata om biogas 2011 Anvisningar för biogasanläggningar BGA 2012 Biogas ur gödsel, avfall och restprodukter-goda svenska exempel 19

24 BILAGA 1 20

25 BILAGA 2 Uträkning av vår anläggning m 3 rötkammare. Mesofil belastning 3 kg VS/m 3 x d 3 x 4000 = 12 ton % Matavfall 6 ton VS/d x 0,6 x 461 = 1659,6 Nm 3 /d 25 % Gödsel 3 ton VS/d x 0,6 x 268 = 482,4 Nm 3 /d 25 % Slakt 3 ton VS/d x 0,6 x 434 = 781,2 Nm 3 /d 3. Gasproduktionen tillsammans 2923,2 Nm 3 CH4 /d 4. Baklängesuträkning för att få fram substratet i verkliga ton. Matavfall: 6 ton VS/ 0,33 TS x 0,85 VS av TS = 21,4 ton/d (50 %) Gödsel: 46,9 ton/d (25 %) Slakt: 22,5 ton/d (25 %) 5. Energiinnehåll: 10 x 2923,2 = kwh/d Effekt: 1218 kw 29232/24=1218 Substrat TS VS av TS Utrötningsgrad Metanpotential Matavfall (50 %) 0,33 0,85 60 % 461 Nm 3 /ton Gödsel (25 %) 0,08 0,8 60 % 268 Nm 3 /ton Slakt (25 %) 0,16 0,83 60 % 434 Nm 3 /ton 21