Uthållig avloppsrening

Transkript

1 Uthållig avloppsrening Biogas potential på avloppsvatten Noureddine Khayi Handledare: Erik K Levlin MJ153x Examensarbete i Energi och miljö, grundnivå Stockholm 2014

2 Förord Jag skulle vilja framföra ett tack till Lars Bengtsson och många andra från IVL på Hammarby Sjöstadsverk samt rikta ett särskilt tack till min handledare Erik K Levlin vid den kungliga tekniska högskolan som med sitt starka stöd och engagemang underlättat för mig att uppnå resultatet som presenteras i denna rapport. Stockholm den 21 april 2014 Noureddine Khayi 2

3 Sammanfattning Projektet genomfördes vid IVL Svenska Miljöinstitutet i Hammarby Sjöstadsverk i samarbete med Kungliga Tekniska Högskolan (KTH). Syftet med detta projekt är att jämföra biogas potential mellan tre olika förbehandlingsmetoder av avloppsslam före rötningen, dessa metoder är djup och lätt frysning samt uppvärmning av slammet. Rötningsprocesser kan göras vid olika temperatur, olika inmatningshastighet och olika antal steg. Oavsett exakt utformning innebär rötningen fyra steg: hydrolys, fermentering, anaerob oxidation och metanbildning. Vid rötningen produceras metangas vilken används till uppgradering för att producera fordonsbränsle, värmeproduktion, elproduktion och fackling. Det har visat sig att förbehandlingsmetoderna har en stor potential för att utöka gas produktionen genom förbehandling av avloppsvattensslam före en anaerob rötning som utfördes i laboratorieskala med hjälp av Automatisk Metan Potential Test System(AMPTS II). Experimentet visade på lovande resultat, det har skett en ökning av metanutbytet på två av dem testade metoderna i jämförelse med det obehandlade slammet och ett referensprov med bara inocolum. Försöket avslutades efter 35 dagarsrötning, den optimala metanpotentialen som erhålls var 0,25 Nm³ CH4/kg VS framställd av djupfrystslam och 0,21 Nm³ CH4/kg VS producerad av uppvärmt slam, detta betyder en förbättring på biogas potential med 34 respektive 16 procent men lättfryst slam procentuella minskningen av metan potential ligger på 21 procent mot det obehandlade slammet. 1 Nm³ biogas motsvarar cirka 1 liter bensin som ger lika lång körsträcka, men är något billigare, bilarna får dessutom en 5 10 db lägre bullernivå, detta uppfattas som hälften så bullrigt som ett dieseldrivet (Stockholm Vatten, 2004) På grund av att det krävs stora anläggningar och mycket slam för att få lönsamhet i verksamheten är rötningen av avloppsslam idag koncentrerad till storstadsregionerna. Genom att röta avloppsslammet minskar mängderna som behöver gå till deponi och klimatvinster kan göras då biogas ses som klimatneutral till skillnad från fossila bränslen. Att investera i biogasutvinning innebär även en ekonomisk risk då distributionsnätet inte är helt utvecklat och konsumenters intresse för bränsleformen ur ett mer långsiktigt perspektiv är svårbedömt. Det finns dock flera goda exempel på lönsamma anläggningar, ett sådant är i Stockholm där reningsverken idag levererar biogas till SL:s bussar vilket ger tystare gator och mindre partiklar i stadsmiljön (SL, 2010). Trots att det finns en del frågetecken kring exakt hur stor potential för produktionen är och att en ökning troligen samverkar med en ökad vilja att satsa på bränslet både från myndigheter, företag och enskilda konsumenter finns det en framtid för rötningen. Rötningen av avloppsslam för att producera biogas bör inte ses som en enskild energikälla utan snarare som ett komplement och ett sätt att utnyttja de resurser vi har för att skapa ett mer hållbart samhälle. Därför är satsningar och investeringar för att utveckla produktion och distribution av biogas från rötning vid avloppsreningsverk väl motiverade och bör uppmuntras. 3

4 Summary The project was carried out at the Swedish Environmental Research Institute in Hammarby Sjöstadsverk in collaboration with the Royal Institute of Technology (KTH). The purpose of this project is to compare the biogas production based on different methods of pretreatment of sewage sludge before digestion. The digestion process can be done at different temperature, different feed rate and different number of steps. Whatever the precise formulation involves digestion of four steps: hydrolysis, fermentation, anaerobic oxidation and methane formation. Upon digestion produced methane gas which is used to upgrade to produce vehicle fuel, heat, power generation and flaring. There is a potential to expand gas production by those methods in this project, tested for pretreatment of wastewater sludge prior to anaerobic digestion in a laboratory scale using Automatic Methane Potential Test system ( AMPTS II).The experiment showed promising results; there has been an increase in methane yield in comparison with untreated sludge and reference samples with only inoculums. The experiment ended after 35 days of digestion, the optimum methane potential obtained was 0.25 Nm ³ CH4/kg VS made of deep frozen sludge and 0.21 Nm ³ CH4/kg VS produced by the heated sludge this means that deep freezing enhances the biogas potential with 34 % and the heating of the sludge by 16 % but easily frozen sludge had less methane potential than the untreated sludge by 21 %. Because of the need for a large facilities and much sludge to get a profitable operation, the anaerobic digestion of sewage sludge is now concentrated in the metropolitan areas. By digesting sewage sludge reduces the amounts that need to go to landfill and climate gains can be achieved when biogas is seen as carbon neutral, unlike fossil fuels. Investing in biogas production also involves a financial risk when the distribution network is not fully developed, and consumer interest in fuel form from a longer term perspective is difficult to assess. However, there are several good examples of profitable plants; one is in Stockholm, where treatment plants currently supply biogas to SL's buses for quieter streets and less particles in the urban environment. Although there are some questions about how exactly great potential for production and that an increase is likely interacts with an increased willingness to invest in the fuel from authorities, companies and individual consumers, there is a future for digestion. Anaerobic digestion of sewage sludge to produce biogas should not be viewed as a single energy source, but rather as a supplement and a way to exploit the resources we have for creating a more sustainable society. Therefore, initiatives and investments to develop the production and distribution of biogas from anaerobic digestion at wastewater treatment plants well justified and should be encouraged. 4

5 Innehållsförteckning Förord... 2 Sammanfattning... 3 Summary Inledning Syfte och frågeställningar Bakgrund Metod Begränsningar Hur fungerar rötningen av avloppsslam Faktorer som påverkar rötningsprocessen Biogasproduktion Biogaskapacitet i Sverige Hur slipper man rester av slam? Vilken process som drar minst energimängd vid produktion av biogas? Provtagning och provförberedning före rötning av slam i laboratorieskala Mikroskopi Substratet Inoculum M lösning Bestämning av totala (TS %) och Volatile Solids (VS %) Inoculum och substratets egenskaper innan experimentet Biometanpotentialmätutrustning Reaktorer Resultat Ackumulerad biogasvolym Biogasflödeshastighet Metanpotential, MP Diskussion och slutsats Svårigheter Slutsats Källkritik Referenser Bilagor

6 1. Inledning Utvinning av energi och effektivisering av materialanvändningen har blivit alltmer efterfrågade efter resursbrist och klimat förändringar. Idéer om kretsloppssamhället och att ändra synsättet på restprodukter från avfall till resurser får fäste hos allt fler, både hos allmänheten och hos företag. Strävan efter ett hållbart samhälle ställer högre krav på både producenter och politiker. Med ny teknik och ett växande intresse från konsumenthåll för hållbara produkter börjar fler och fler företag inse vikten och lönsamheten i att effektivisera och se på sin verksamhet i ett kretsloppsperspektiv. Samtidigt som miljömedvetenheten ökar och hållbarhetsfrågor får större fokus ökar världens energiförbrukning och resursanvändning stadigt. Att skapa samhällen byggda på ett kretsloppstänk snarare än en linjär ekonomi blir därmed alltmer brådskande. Betydande framsteg har skett under de senaste åren när det gäller energieffektivitet i ex. utvinning av energi från avloppsvatten och framförallt biogas. Det går att förbättra rötningsprocesserna av avloppsvattensslam och därmed höja på produktion av biogas, men det krävs pengar och resurser för att öka kunskapen kring hur man ska gå till väga. Med slammängd menas att oavsett hur stor efterfrågan är på biogas så får man endast en viss mängd slam per person och år. Denna mängd är relativt konstant och går inte att påverka, därför hänger ökningspotentialen på tekniken vilket det testas tre olika metoder för förbehandling av slam i detta arbete för att ser om det sker en ökning av metanutbytet. De sociala faktorerna är såklart en viktig faktor då energisystemet är ett sociotekniskt system, där biogasproduktion från rötning krävs att det finns ett intresse för detta bränsleslag och en vilja att ställa om sin energianvändning. 2. Syfte och frågeställningar Syftet med detta arbete är att utvärdera potentialen för biogasproduktion vid avloppsreningsverk, detta handlar om att studera olika metoder för förbehandling av slam före rötning och undersöka om det sker en eventuell ökning av metanutbytet. Rapporten ge läsaren en grundläggande kunskap i hur produktion av biogas via olika metoder av förbehandling av avloppsslam går till samt vilka problem och möjligheter man står inför i samband med dessa produktioner. Situationen idag redovisas och kompletteras med vilka förbättringsmöjligheter och utvecklingspotential som finns kring processerna och anläggningarna. Biogasproduktionens potential skall diskuteras med utgångspunkt i de krav och förutsättningar som krävs för en lönsam och framgångsrik produktion av biogas från avloppsslam. Viktiga frågeställningar som kommer besvaras är: Hur fungerar rötningen av avloppsslam? Hur slipper man rester av slam? Finns det potential till en utökad produktion av biogas och framförallt med dem nämnda och testade metoderna av slamförbehandling. Studera olika metoder för förbehandling av slam innebär också att man ska svara på följande frågor: Hur produceras biogas? Vilken process/ metod som drar minst energimängd vid produktion av biogas? 6

7 Vilka miljöeffekter fås av ämnena som blir kvar i slam? 3. Bakgrund Idag produceras största mängden biogas i reningsverken genom rötning av slam från olika reningssteg. Slammets organiska del bryts då bildas metan och koldioxid. Biogasutvinning från avloppsvatten är en av de absolut intressanta nya teknikerna på senaste åren som är på rätt väg att ta en liten bråkdel av energiförsörjningen i Sverige. Avloppsvatten har använts som biogaskälla till fordon i Sverige sedan 1990 talet, där finns en stor potential men bara en del som utnyttjas, det finns fortfarande mycket kvar outnyttjad kapacitet. De ekonomiska fördelarna med att röta avloppsslam är i huvudsak två, man slipper ta hand om slammet och man kan sälja biogasen. Transport och omhändertagande av slammet är kostsamt, inte minst pga. deponiskatten som infördes år 2000 (Naturvårdsverket, 2013). Med en uppgraderingsanläggning i anslutning till reningsverken kan fordons gas säljas vilket har visat sig ha hög lönsamhet i storstadsregionerna. 4. Metod Rapporten framställts efter en litteraturstudie där rapporter, hemsidor, tidningsartiklar och faktablad från både statliga myndigheter, branschorganisationer och företag ingår och muntliga information från min handledare på KTH och min kontaktperson på Sjöstadsverket. Information från de olika källorna jämförs och deras relevans och trovärdighet bedöms. De mest uppdaterade och trovärdiga källorna sedan läggs till grund för rapporten. 5. Begränsningar Studien begränsar sig till Sjöstadsverket och rötningen i experimentella försök av avloppsslam och behandlar inte rötning av hushållsavfall eller jordbruksprodukter även om de kommer att vidröras i och med de tydliga kopplingarna mellan de både processerna. 6. Hur fungerar rötningen av avloppsslam Rötning av avloppsslam sker på ett flertal svenska reningsverk. När avloppsvattnet kommer till reningsverket når det först ett galler där de största sakerna såsom plastbitar och pinnar fastnar. Vattnet går sedan vidare till ett sandfång där större sandpartiklar tillåts sedimentera till botten. Efter att ha passerat sandfånget är vattnet fortfarande rikt på slampartiklar och når då en försedimenteringsbassäng där slammet får sedimentera. Detta slam kallas primärslam och är det slam som i huvudsak används till biogasproduktion. Vattnet går vidare till biologisk rening där kväve tas bort i en biobassäng. Vid detta steg bildas ett bioslam som sedimenteras i det följande steget. Detta bioslam är den andra ingrediensen i det avloppsslam som används till rötning. När vattnet även renas kemiskt bildas ett kemslam vilket går tillbaka till försedimenteringen och kan bilda primärslam (Stockholm Vatten, 2009). Fler reningssteg ingår men eftersom fokus för den här rapporten är förbehandling av avloppsslam för att utvinna biogas optimalt och inte vattenreningen utelämnas några delar av själva reningsprocessen. Innan primärslammet och bioslammet blandas samman i en mekanisk slamförtjockare genomgår de varsitt extra steg. I den mekaniska slamförtjockaren trycks slammet ihop då det fastnar i ett filter så att vattnet pressas ut. Viss kemikalietillförsel görs även för att underlätta 7

8 förtjockningen. När förtjockningen är klar förs slammet till platsen där själva biogasproduktionen sker i rötkammaren (Kävlinge Kommun, 2013). 7. Faktorer som påverkar rötningsprocessen En rötkammare kan vara utformad på flera olika sätt. Både temperatur, inmatning och rötningsprocessen kan variera beroende på vilket syfte och förutsättningar som finns för rötningen. I huvudsak sker rötningen i fyra steg: hydrolys, fermentering, anaerob oxidation och metanbildning. Under hydrolysen sönderdelas stora föreningar som proteiner, fetter och kolhydrater till aminosyror, fettsyror och enkla sockerarter. Vid jäsningen bildas fettsyror, alkoholer samt koldioxid och vätgas. Den anaeroba respirationen utförs av något och medför att fettsyror och alkoholer omvandlas till ättiksyra, vätgas och koldioxid. Det sista steget, metanbildningen, tar alltså vid då de stora föreningarna till slut via olika steg omvandlats till ättiksyra, koldioxid och vätgas. Vid detta steg omvandlar mikroorganismer vilka kallas metanogener dessa ämnen till metan och koldioxid (STOCKHOLMVATTEN, 2009) Ibland delas processen upp i två olika kammare (så kallad tvåstegsrötning). Då sker hydrolys och fermentering i den första medan metanbildningen sker i den andra för metanbildningen specialkonstruerade kammaren. I princip kan även inmatningen av rötningsmaterial ske både kontinuerligt och portionsvis vid rötning men i avloppsreningsverk sker den oftast semikontinuerligt på grund av slammets mer flytande konsistens. Temperaturen vid rötningen kan vara olika. Vid mesofila rötning är temperaturen 37 C och vid termofil rötning är den mellan 55 C till 60 C, det produceras biogas även vid låga temperaturer, men mikroorganismerna blir mer aktiva om det är varmt och då går processen snabbare. Dessa båda temperaturer är valda med hänsyn till när metanogenerna växer som bäst inom vissa temperaturspann. Termofil rötning är den snabbare av de båda då denna ökar hydrolyshastigheten. Under rötningen stannar materialet i rötkammaren mellan 15 till 30 dygn. De viktigaste faktorerna som påverkar processen är: temperatur, vattenhalt, rötmaterialets sammansättning ph-värde och frånvaro av substanser som hämmar processen (Bioenergiportalen, 2012). 8. Biogasproduktion Den biogas som blir fordonsbränsle måste uppgraderas för att detta skall vara möjligt. Med uppgradering menas att koldioxiden och metan skiljs åt så att man får en metanhalt på minst 95 %. Det finns flera olika metoder för detta, de vanligaste bland reningsverken i Sverige är vattenskrubbning (tryck vatten adsorption) och PSA (Pressure Swing Adsorption). Vid vattenskrubbning skiljer man gaserna åt genom att koldioxid är mer lättlösligt i vatten än vad metan är. PSA utnyttjar skillnaden i adsorptionsförmåga gentemot olika ytor såsom zeoliter eller aktivt kol (BIOENERGIPORTALEN, 2013). Majoriteten av biogasen som produceras i avloppsreningsverken går till uppgradering och flera verk har således även en uppgraderingsanläggning i anslutning till reningsverket. Två exempel på reningsverk vilka uppgraderas sin biogas är Henriksdal i Stockholm och Ryaverket i Göteborg. Henriksdal har rötat slam sedan 1941, 2003 började det med uppgradering av biogas (Stockholm Vatten, 2009). 8

9 9. Biogaskapacitet i Sverige I Sverige har biogasproduktion ökat med 116 GWh år 2012 jämfört med Hälften av den producerade biogasen 845 GWh (53 %) gick till uppgradering. Till värmeproduktion och värmeförluster gick 524 GWh (33 %). 41 GWh (3 %) el producerades och 165 GWh (10 %) facklades. Fördelningen av den producerande biogasen är 42 % från avloppsreningsverk, 32 % från samrötningsanläggningar, 16 % från deponier, 8 % från industrianläggningar och 3 % från gårds biogas anläggningar (Energimydigheterna, 2013) Tabell 1: Antal biogasanläggningar i Sverige, fördelning mesofila/termofila anläggningar samt total rötkammarvolym år 2012 (Energimydigheterna, 2013) Antal anläggningar Antal mesofila Antal termofila Rötkammarvolym (m3) Avloppsreningsverk Samrötningsanläggningar Gårdsbiogasanläggningar Industrianläggningar Deponier Summa År 2012 producerade de 242 biogasanläggningarna i Sverige 1,6 TWh biogas vilket motsvarar elanvändningen eller uppvärmning för ungefär respektive genomsnittslägenheter (BIOENERGIPORTALEN, 2013). En annan relevant jämförelse är 310 vindkraftverk. Sveriges totala energianvändning ligger på ca 614 TWh vilket innebär att biogasen tillhandahåller ca 0.25 % av Sveriges energi (Energimyndigheterna, 2013) Avloppsreningsverken står för den största andelen producerad biogas, 43 %. Samrötningsanläggningarna och deponierna är de andra två större producenterna med 28 respektive 18 procent (Energimyndigheterna, 2013). 10. Hur slipper man rester av slam? Rötresterna från avloppsreningsverk kan innehålla tungmetaller och medicinrester, därför är de inte alltid lämpliga som gödningsmedel trots deras höga fosforhalt. Det finns initiativ för att säkra kvalitén på slammet, ett exempel är certifieringssystemet REVAQ (Lrf, 2010). Vanliga användningsområden för rötningsresterna är istället att blanda upp de med spån eller andra material och använda som fyllnad vid vägbyggen eller som täckmaterial på deponier (BIOGASPORTALEN, RÖTREST). 11. Vilken process som drar minst energimängd vid produktion av biogas? Rötning av avloppsslam sker idag i 135 anläggningar i Sverige. Det är en liten andel av de 2000 som finns vilket beror på att många reningsverk är så pass små att de inte har kunnat finna lönsamhet i en rötningsverksamhet. 128 av dessa 135 använder sig av mesofila en stegsrötning då man slipper tillföra stora mängder av energi för att behålla temperaturen. Vid 9

10 termofil rötning ökar även risken för ammoniuminhibering. Mesofila rötning har även visat sig ge större metanutbyte i vissa undersökningar (Hallin, 2008). Man ska anpassa temperaturen till det substrat som skall rötas, mesofila process temperaturen ligger på ca 37 C och termofil process temperaturer ligger mellan C vilket är en fördel med termofil rötning som en naturlig avrensning av oönskade sjukdomsframkallande mikroorganismer i slam som t.ex. salmonella och ett högre biogasutbyte under en kort tid. Ökningen av biogasutbytet kompenserar uppvärmningsbehovet av rötkammare. Värmeåtervinning från utgående rötat slam görs genom en installerad slam/slam-värmeväxlare till inkommande råslam. Detta betyder att värme överförs emellan två värmeväxlare med ett slutet vattensystem för att minska risken för att råslammet, genom t.ex. läckage, ska kontaminera utgående hygieniserat slam (BIOGASPORTALEN, RÖTNING). 12. Provtagning och provförberedning före rötning av slam i laboratorieskala 12.1 Mikroskopi Att använda sig av mikroskopering (fig.8) fick jag en liten uppfattning om det aktiva slammets egenskaper då jag såg en tydlig skillnad mellan behandlade och obehandlade slam från samma sats. Detta förklarar att förbehandlingen av slammet har påverkat slamsegenskaper, dem trådformiga bakterier som svävade mellan slam flocken försvinner efter förbehandlingen och slamflockarna har blivit mindre men fler Substratet Returslammet kallas också överskottslam har tagits fram från membranbioreaktorn 2 på Hammarby Sjöstadsverk och sedimenteras, sedimentering betyder att sådant som är för tungt för att flyta sjunker vilket innebär att det litet tyngre skräpet sjunker till botten och bildar slam. Slam bildas av bajs och annat naturligt skräp, slammet fylldes i åtta flaskor à en liter (figur 1). I början förbehandlades proverna med de utvalda metoderna. Förbehandlingsmetoder handlar om 3 olika metoder: (figur 2) Metod 1: lättfrysning av slammet i ett kylskåp med lägre temperatur under 3 dagar. Metod 2: djupfrysning av slammet i en frys under tre dagar. Metod 3: den tredje metod som undersökts också med avseende av en eventuell ökning av metanutbytet är termisk behandling av slammet, upphettning av slammet till 85 C i 12 timmar i en ugn (fig. 4) Inoculum Inoculum (figur3) togs från Henriksdals rötkammare som används för att röta primär- och sekundärslam vid temperaturen C, ph värdet mättes på 7,018. Inoculum innehåller metanproducerande bakterier från Henriksdals rötkammare, vilka behövs för att göra biogas av substratet. 10

11 Figur 1: Prover efter sedimentering av slammet Figur 2: Prover efter frysning och uppvärmning av slammet Figur 3: Inoculum Figur 4: Ugn M lösning Efter att ha vägt 120 g NaOH och löst upp i en tre fjärdedelar av vattnet, tillsatt hela återstående mängden vatten och berett en 0,4 % Thymolphtalein ph- indikatorlösning (40 mg i 9 ml etanol 99,5 %), Thymolphtalein är olösligt i vatten men lättlöslig i etanol, då blandades 5 ml av den 0,4 % Thymolphtalein lösning i 1 liter 3 M NaOH lösning (figur 8) och tillsatt ca 80 ml av blandningen NaOH lösning och Thymolphtalein i glasflaskor (100 ml) (figur 7). Lösningen användes för fixering av CO2 och H2S från producerade biogasen. Lösningen byts ner när blå färg slår om till färglös (Bioprocess Control Sweden AB, 2011) Bestämning av totala (TS %) och Volatile Solids (VS %) TS: Torrsubstans halt, det som återstår när vattnet torkats bort från ett material. Provet torkas i 105 C i en ugn (figur 4) under 20 timmar, anges som procent av våt vikt. VS: Volatile Solids, ett mått på andelen organiskt material. TS provet förbränns vid 550 C under två timmar, VS mäts sedan som torrsubstans minus aska, anges som procent av TS eller procent av våt vikt (BIOGASPORTALEN, SUBSTRAT) Inoculum och substratets egenskaper innan experimentet Blandningsandel av substratet och Inoculum i en reaktor som innehåller 500 ml, (400ml vätska och 100 ml luft i "Head Space") är beräknat enligt "Standard Metods (APHA, 1998)", där TS(%) och VS % är beräknade enligt ekvationer 1 och 2 (Bioprocess Control Sweden AB, 2011). TS(%)= (ekv. 1) VS(%)= (ekv. 2) är den torkade provmängd (g) är den blöta provmängd (g) är den brända provmängd (g) 11

12 Tabell 2: Egenskaperna hos inocolum och substrat före och efter förbehandlingen sammanställa som följande: Inocolum Obehandlat Djupfryst Uppvärmt Lättfryst slam slam slam slam 3,1644 3,0355 3,0284 3,0412 3,0211 0,148 0,0473 0,0451 0,0449 0,0453 0,0505 0,0054 0,0045 0,0019 0,0057 TS (%) 4,68 1,56 1,49 1,48 1,50 VS (%) 3,08 1,38 1,34 1,41 1,31 ph 7,038 7,237 7,118 7,041 7,192 (ekv.3), ( ) (ekv. 4) är massan av inoculum (g) är den procentuella andelen av VS (%) är massan av substrat (g) är den procentuella andelen av VS (%) Ekvationer 3 och 4 kan skrivas om till följande ekvationer (ekv.5) (ekv.6) Alla beräkningar för att fastställa de nödvändiga mängder substrat och inocolum (kallas också för ymp) för VS förhållande automatiskt utförs av AMPTS II Programvara. Tabell 3: Beräkning och fördelning av substratet och Inoculum i varje reaktor sammanställd som följande: Reaktor nr. (g) / reaktor (g) /reaktor Beskrivning 1, 2 och Lättfryst slam 4, 5 och Djupfryst slam 7, 8 och Uppvärmt slam 10, 11 och Obehandlat slam 13, 14 och Referens: inocolum 13. Biometanpotentialmätutrustning Biometanpotentialmätutrustning innehåller 15 mätflaskor (figur 9) vilket det körs 15 prover samtidigt, 3 flaskor för varje förbehandlingsmetod som ger 3 olika studerade alternativ och ett obehandlat alternativ samt ett referensalternativ bara med inocolum. Analysen av biogas utfördes genom att blanda olika förhållanden av tre olika förbehandlade slam (lättfryst slam, djupfryst slam och uppvärmt slam) med inocolum från samma Bach. Projektet genomfördes i laboratorieskala med hjälp av en Biometanpotentialmätutrustning (AMPTS II) från Bioprocess Control (figur 9-10), ett biokemisk metanpotentialtest med strippning av CO2 gaser med hjälp av en lösning som innehåller NaOH, Thymolphtalein och etanol (figur 7-8) innan mätning av den producerad metanvolym. Substrat och inocolum hälldes i reaktorer som ligger i ett termiskt vattenbad vid 37 ± 0.5 C (fig. 5) och omrörs med hjälp av en omrörare som vrids en gång varannan minut. Den producerade gasen fördes 12

13 genom de anslutna rören in i flaskor som innehöll NaOH lösningar. Den producerade gasen uppmättes med flödesceller i en vattenbehållare (figur 10, Unit C). När flödescellen fyllts med en definierad gasvolym och därvid öppnats, registrerades gasvolymen som en digital puls när den upplyfta flödescellen klickade ner. Insamlade data registrerades automatiskt av ett förinställt program i min dator som var ansluten till utrustningen, där visades mätdata och diagram direkt (Bioprocess Control Sweden AB, 2011). Figur 5: Reaktorer som innehåller substratet och inocolum Figur 7: Flaskor som innehåller 3M NaOH lösningar Figur 6: Proverna efter 12 timmar i rumstemperatur Figur 8: mikroskop och färdig blandad 3M NaOH lösning 14. Reaktorer Reaktorer är de 500 ml förslutna flaskor med gummiproppar (fig. 5) som innehåller substrat och inocolum märktes och sattes i vattenbad med temperaturen 37 ± 0,5 C och omrörning i varje minut. Röret anslöts i en av öppningarna på gummipropp av reaktorn med motsvarande flaskan fylls med NaOH lösning. Den andra öppningen på gummiproppen användes för att spola ut syre från reaktorn med hjälp av kväve och den tredje satt in den böjda rörpinne ansluten med en motor direkt. Den rena CH4 passera genom NaOH lösning och kommer in i enhet C (figur10, unit C) och lyfter på flödescellen. Gasvolymen spelades in i dataloggningsprogram med digital puls genereras från baksidan. Figur 9: (AMPTS II) kopplad till min dator Figur 10: Biometanpotentialmätutrustning (AMPTS II) 13

14 Biogasflödet i Nml Gasvolym i Nml Noureddine Khayi Uthållig avloppsrening Biogaspotential 15. Resultat 15.1 Ackumulerad biogasvolym Med hjälp av en dator som var inkopplad till Biometanpotentialmätutrustning togs fram 2 st. grafer (graf 1 och 2) den första är i normal volym av biogaspotential d.v.s. gasvolymerna är normaliserad till 1,0 atmosfärstryck, 0 C och noll fukthalt och den andra grafen visar Biogasflödeshastighet per dag. Det gick också att ladda ner rapporten data i tabeller (bilagor: tabell 5 och 6) genom att välja enheten för tiden (t.ex. kvarts timme, timme eller dag). AMPTS II kördes såväl som för att generera rapporten. Efter 35 dagar har biogaspotentialen stagnerat vilket det har visat att den optimala metanpotentialen erhålls av djupfryst slam som ligger på ca 714 N ml (normal milliliter) av biogas följd av uppvärmt slam med 618 N ml, obehandlat slam med 531 N ml, lättfryst slam ca 417 N ml och referensprover Inoculum ligger på 211 N ml (graf.1). Graf Ackumulerad bruttogasvolym Dagar Lättfryst slam Volym [Nml] Djupfryst slam Volym [Nml] Uppvärmt slam Volym [Nml] Obehandlat slam Volym [Nml] inoculum referens Volym [Nml] 15.2 Biogasflödeshastighet Hastighetskurvor på biogasflödet blev avtagande först efter 1,5 dag, detta beror på att Head Space innehöll en viss volymmängd av gaser som är kvar efter blåsningen, då var det uppvärmt slam som har nått det högsta flödet (graf.2). Graf Biogasflödeshastighet per dag Dagar Lättfryst slam Volym [Nml] Djupfryst slam Volym [Nml] Uppvärmt slam Volym [Nml] Obehandlat slam Volym [Nml] inoculum referens Volym [Nml] 14

15 Nm³ CH4/kg VS Noureddine Khayi Uthållig avloppsrening Biogaspotential 15.3 Metanpotential, MP MP är den normaliserade metangasvolym som producerades per tillsatt gram VS substrat (Nm³/kg VS) (Bioprocess Control Sweden AB, 2011)., är den ackumulerade volymen av gas som produceras från reaktorn med både ymp (inoculum) och substratet., är medelvärdet för den ackumulerade volymen av gas som produceras av referenser. Referensprover låg på 211 N ml. Lättfryst VS=1,31 %, djupfryst VS=1,34 %, uppvärmt VS=1,41 % och obehandlat VS=1,38 %. Tabell 4: Beräkning av metangasvolymer i Nm³ CH4/kg VS är sammanställda som följande: Reaktor nr. VS % före VS % efter N ml, Nm³ Beskrivning förbehandling förbehandling brutto CH4/kg VS 4, 5 & 6 1,38 1, ,25 Djupfryst slam 7, 8 & 9 1,38 1, ,21 Uppvärmt slam 10, 11 & 12 1,38 1, ,18 Obehandlat slam 1, 2 & 3 1,38 1, ,15 Lättfryst slam Det finns en stor potential i använda metoder i detta projekt för att utöka gas produktionen genom förbehandling av avloppsvattensslam före en anaerob rötning och framförallt djupfryst och uppvärmt slam. Graf 3 Metanpotential i Nm³ CH4/kg VS 0,3 0,2 0,1 0,25 0,21 0,18 0,15 Nm³ CH4/kg VS 0 Djupfryst slam Uppvärmt slam Obehandlat slam Förbehadlingsmetoder av bioslam Lättfryst slam Experimentet visade på lovande resultat, det har skett en ökning av metanutbytet i jämförelse med obehandlad slam och referensprover med bara inocolum (tabell 5). 15

16 Experimentet avslutades efter 35 dagars rötning, den optimala metanpotentialen som erhålls var 0,25 Nm3 CH4/kg VS framställd av djupfrystslam och 0,21 Nm3 CH4/kg VS producerad av uppvärmd slam (graf 3), detta betyder en förbättring på biogas potential med 34 respektive 16 procent men lättfryst slam hade sämre metan potential än obehandlade slam. 16. Diskussion och slutsats Det är inte lätt att ta fram vilken metod som drar minst energimängd vid produktion av biogas med tanke på att experimentet utfördes på labbet, frysning och uppvärmning gjordes med hjälp av kyl/frys respektive ugn och upptining i rumstemperatur. Däremot går det att jämföra mellan olika riktiga processer, mesofila och termofila när det gäller energi konsumtion. Det är väldigt svårt att bedöma utvecklingspotentialen eftersom så pass många faktorer spelar in. Det är ett samspel mellan samhällsattityd och tekniska framsteg som avgör hur framtiden för biogasproduktionen ser ut. Även om trenden och målet är att öka rötningen vid reningsverken finns det inte hur stor potential som helst och problem med tungmetaller i slammet kan medföra att man väljer bort metoden till förmån för att skaffa sig energi på ett annat sätt. Även om det finns vinster att göra för klimatet kan andra mål väga tyngre(såsom en giftfri miljö). Ifall lagstiftning om exempelvis hårda giftkrav förbises står och faller produktionstakten med hur lönsamt det är att röta slammet. Det finns positiva tendenser och framgångsexempel på flera håll i landet gör att biogasproduktionen har förutsättningar att öka. Viktigaste frågan är energibalansen med tanke på kostnader av energi som används under förbehandlingen av slammet, är det lönsamt att använda dessa förbehandlingsmetoder, detta var en diskussion med min handledare som kom på ett förslag på en anläggning (Levlin, 2014)som skulle minska på kostnader och framförallt under frysningen (figur 11). Slammet pumpas genom ett rör som omges av en kylslinga som fryser slammet till is. Isen pressas vidare till en upptiningsslinga. Värmet som med en värmepump tas ur slammet i kylslingan används till att smälta isen i upptiningsslingan. Figur 11 Kompressor Strypventil Obehandlat slam Fryst slam (ispropp) Behandlat slam Kylslinga Upptiningslinga 16.1 Svårigheter Rötning av avloppsslam medför många fördelar men det finns även problem som kan uppstå i processen och nackdelar kopplade till användningen av denna teknik. Ett av de största problemen rent processmässigt är skumning (Hultman & Levlin, 2003). Vid de biologiska processerna i rötkammaren bildas skum. Vid vissa förutsättningar kan skumproduktionen öka lavinartat och göra att anläggningarna svämmar över. Detta förstör processen och blir enormt kostsamt. Orsakerna till skumning kan vara olika men faktorer som spelar in är 16

17 bakterieaktiviteten, fetthalten, omrörning och inmatningshastigheten samt mängden organiskt material. Vissa bakterier ökar skumningsrisken och för hög aktivitet är inte heller bra. Hög fetthalt och bristfällig omrörning ökar skumproduktionen. Om inmatningen inte sköts så att mängden organiskt material blir för stor är det större risk att rötkammaren skummar över (Massart, et al., 2006) Slutsats Förbehandling av slammet genom termiska eller djupfrysning metoder var effektivt i upplösningen av organiska materialet vilket det har lett till en ökning av biogas potentialen. Frysningen orsakade agglomerering av små partiklar och ändrade slamflockens storleksfördelningsmönster från stora och få flockar till små och tätare flockar, lätt frysningsslamsflockar storleker var mindre än dem andra på djup frysningsslam men mera i mängden. Slamfrysningen har länge setts som en effektiv slamavvattningsteknik, den minska bundet vattenhalt och förändra slamflock till en tätare och mer komprimerad form och effektiv för att lösa ut cellulära polymerer och störningar av slamceller (Gao, 2011). De främsta fördelarna med slam frysningsteknik är ökningen av Biogas potential och de besparingarna genom att eliminera användning av kemikalier för slamavvattning. 17. Källkritik Majoriteten av information som finns att tillgå på biogasfronten är framställd av branschorganisationer eller företag med intresse i en utökad produktion av biogas i Sverige. Därmed finns det en risk att undersökningar och resultat kan ha styrts åt ett visst håll samt att de positiva delarna förstärks väsentligt. Detta har tagits i beaktning under framställandet av rapporten varför ett flertal källor använts för att ta fram statistik och jämföra beskrivningar av potential och attityder. Källor såsom Statistiska Centralbyrån och Energimyndigheten anses vara mer neutrala även om osagda intressen kan dölja sig även där. När det gäller processbeskrivningar och metoder anses källorna vara tillförlitliga då det torde vara i deras intresse att i största möjliga mån öka kunskapen kring hur biogas produceras och hur man kan förbättra processerna. 17

18 18. Referenser a, a. a. Bioenergiportalen, BIOGASPROCESSEN, SÅ FRAMSTÄLLSBIOGAS. [Online] Available at: [Använd ]. BIOENERGIPORTALEN, BIOENERGIPORTALEN, biogasproduktion i Sverige. [Online] Available at: [Använd ]. BIOENERGIPORTALEN, BIOENERGIPORTALEN,Uppgraderingstekniker för biogas. [Online] Available at: [Använd ]. BIOGASPORTALEN, RÖTNING. BIOGASPORTALEN, rötning. [Online] Available at: [Använd ]. BIOGASPORTALEN, RÖTREST. BIOGASPORTALEN, rötrest. [Online] Available at: [Använd ]. BIOGASPORTALEN, SUBSTRAT. BIOGASPORTALEN, Substrat. [Online] Available at: [Använd ]. Bioprocess Control Sweden AB, Operation and Maintenance Manual. Lund: Bioprocess Control Sweden AB. Energimydigheterna, Energimydigheterna, sida [Online] Available at: as% pdf [Använd ]. Energimyndigheterna, Energimydigheterna, sida [Online] Available at: as% pdf [Använd ]. Gao, W., Freezing as a combined wastewater sludge pretreatment and conditioning method. Desalination, Volym 268, pp Hallin, S., Biogasproduktion genom tvåstegsrötning av drankvatten, Linköping: Linköpings universitet. 18

19 Hultman, B. & Levlin, E., Minskning av skumningsproblem och slammängd i rötkammare, Stockholm: Mark och vatten teknik KTH. Kävlinge Kommun, KÄVLINGE!. [Online] Available at: k/rotning.4.e1e323d13d64f5a html [Använd 18 APRIL 2014]. Levlin, E., Frysanläggningen. Stockholm: u.n. Lrf, Vad innebär REVAQ-systemet - ceritfiering av reningsverk?. [Online] Available at: [Accessed ]. Massart, N., Robert, B., corning, B. & Neun, G., [Online] Available at: file:///c:/users/noureddine%20k/downloads/wet_massert_oct06.pdf [Använd ]. Naturvårdsverket, Naturvårdsverket, sida 8. [Online] Available at: [Använd ]. SL, SL vill vara transport branschens föregångare, sida 34. [Online] Available at: [Använd ]. STOCKHOLM VATTEN, BIOGAS ÄR EN MILJÖVÄNLIG NATURPRODUKT. [Online] Available at: [Använd ]. Stockholm Vatten, Stockholm vatten, sida 8-9. [Online] Available at: asproduktionen090528m%20(2).pdf [Använd ]. STOCKHOLMVATTEN, STOCKHOLMVATTEN, SIDA 13. [Online] Available at: asproduktionen090528m%20(2).pdf [Använd ]. stockholmvatten, Stockholmvatten, sida 8-9. [Online] Available at: 19

20 asproduktionen090528m%20(2).pdf [Använd ]. 19. Bilagor Tabell 5: Medel av 3 ackumulerad gasvolym per dag och metod Dagar Lättfryst slam volym [Nml] Djupfryst slam volym [Nml] Uppvärmt slam volym [Nml] Obehandlat slam volym [Nml] Inoculum referens volym [Nml] , , , , , , ,3 319, , , ,1 363, , ,5 90, ,9 405,8 415, ,5 107, , ,7 308, , , , , ,2 131, , , ,7 140, ,3 510,5 518, , , , , ,4 387, , ,8 548, , , ,8 571, ,2 419,1 166, , , ,7 433, , , , , , , , , , , , , , ,5 466, , , , , , , ,9 644, , , , ,5 597, , , , , , , , ,7 664, , ,4 197, , , , , , ,2 673, , ,5 199, ,1 677, , , , , , , , , , , , , , ,5 691, , , , ,8 693,9 613, , , , , , , , , , ,4 524,9 207, , , , , , ,1 617, , , , , , , , , , , , ,2 20

21 34 417, , , , ,2 Tabell 6: Biogas flödeshastighet (medel av tre prover per dag i normal milliliter och metod) Dagar Lättfryst slam volym [Nml] Djupfryst slam volym [Nml] Uppvärmt slam volym [Nml] Obehandlat slam volym [Nml] Inoculum referens volym [Nml] , , ,2 129, , , , , , , , ,7 4 23,8 34, , , ,1 5 17, , , , , , ,4 31,6 26,6 16, , , , , , , , ,8 15, , , , ,4 17,1 8, , , , , , , ,7 14,1 7, , , , , ,9 13 7, , , , ,4 14 8, , , ,2 6, , , , , ,8 16 6, , , , ,3 17 6, , ,8 9, , , ,1 5,3 6, , , , , , , ,2 3,9 5, , , ,8 4, ,7 3, , , ,4 1, ,7 23 2, , , , ,7 24 2, ,9 1, , , ,8 3,7 1, , ,4 26 2, ,2 1,8 1,8 1,2 27 2,3 2, ,8 1,8 1,2 28 2, , ,8 1, ,2 29 2, , , , , , , , , , , , , , , , , ,9 1, , , , ,9 1,

22 34 2, , , ,9 1,