Satsvis och kontinuerlig rötning av biogassubstratblandningar

Uppdragsrapport från JTI Satsvis och kontinuerlig rötning av biogassubstratblandningar Batch and continuous digestion of substrate mixtures for biogas Maria del Pilar Castillo, Johnny Ascue, Mats Edström och Gustav Rogstrand Ett projekt utfört på uppdrag av Strängnäs Biogas AB JTI Institutet för jordbruks- och miljöteknik 2013 Uppdragsgivaren har rätt att fritt förfoga över materialet. Tryck: JTI Institutet för jordbruks- och miljöteknik, Uppsala 2013

3 Innehåll Syfte... 5 Material och metoder... 5 Substrat... 5 Satsvis utrötning... 5 Kontinuerliga rötningar... 7 Kontinuerlig rötning I... 7 Kontinuerlig rötning II... 8 Resultat... 9 Substrat... 9 Satsvis utrötning... 10 Kontinuerliga rötningar... 12 Kontinuerlig rötning I... 12 Kontinuerlig rötning II... 13 Diskussion... 13 Några alternativa anläggningsutformningar... 16 Massflöden och biogasproduktion för fyra alternativ... 16 Förslag på generell anläggningsutformning... 19 Förslag på tankvolymer vid biogasanläggningen... 19 Förslag på separering av råvaruflöden... 19 Referenser... 20 Bilaga 1. Totalt tillgängliga mängder substrat per år... 21 Satsvisa utrötningar... 21 Kontinuerlig rötning I... 21 Kontinuerlig rötning II... 22 Bilaga 2. Kemisk karakterisering av varje substrat... 23 Bilaga 3. Kemisk karakterisering av blandningarna... 25

5 Syfte Syftet med försöket var att kartlägga metanproduktion och nedbrytningshastighet av två substratblandningar vid satsvis och kontinuerlig rötning. Material och metoder Substrat I studien ingick två blandningar som består av 10 respektive 9 substrat (Tabell 1). Den första blandningen innehåller alla 10 substrat och kallas S+V. Den andra blandningen innehåller de 9 första substraten (exklusive vall) och kallas S-V. Proverna hämtades vid två olika tillfällen. Tabell 1. Blandningar och substrat som ingick i blandningarna. Blandningar Strängnäs blandning med vall (10 substrat) Strängnäs blandning exklusive vall (9 substrat) Substrat Svingödsel (flyt) Svingödsel (fast) Hönsgödsel (klet) Kycklinggödsel (fast) Nötflytgödsel Kogödsel (fast) Hästgödsel (fast) Drank Glycerol Vallgröda Beteckning S+V S-V Blandningarna S+V och S-V förbereddes tre gånger (a, b och c) enligt ändrade uppgifter från Strängnäs Biogas AB:s inventering av potentiellt tillgänglig vallgröda per år (Bilaga 1). Satsvis utrötning JTI hämtade tio prover i april 2011. Ymp från Vafab Miljö, Västerås biogasanläggning hämtades och avgasades i 37 C under 14 dygn. Blandningarna, (S+V) a och (S-V) a, gjordes enligt de potentiella tillgängliga mängderna från Strängnäs Biogas AB:s inventering (Bilaga 1, Tabell 18, observera potentiell tillgänglig vallgröda = 6000 ton/år). Samtliga prov, blandningar och ympen analyserades med avseende på torrsubstans (TS) och glödförlust (VS), Tabell 2. En kemisk karakterisering av varje substrat utfördes också (Bilaga 2, Tabell 21).

6 Tabell 2. TS- och VS-halt. Proverna användes för den satsvisa utrötningen och för kontinuerlig rötning I. Substrat TS (%) VS (%) Svingödsel (flyt) 5 ± 0,02 4 ± 0,02 Svingödsel (fast) 20 ± 1,9 16 ± 1,0 Hönsgödsel (klet) 29 ± 0,1 21± 0,1 Kycklinggödsel (fast) 62 ± 2,8 54 ± 2,9 Nötflytgödsel 7 ± 0,3 5 ± 0,2 Kogödsel (fast) 20 ± 0,8 16 ± 1,1 Hästgödsel (fast) 31 ± 2,3 27 ± 2,7 Drank 6,1 5,1 Glycerol 100 100 Vallgröda 18 ± 0,7 16 ± 0,13 Ymp Västerås 3,9 ± 0,02 2,7 ± 0,05 (S+V) a 15,6 ± 0,1 13,3 ± 0,1 (S-V) a 15,0 ± 0,4 12,7 ± 0,3 De satsvisa utrötningarna utfördes i 1 L-flaskor vid 37 ºC. Flaskorna fylldes med en vätskevolym på 600 ml (ymp + blandning + vatten). Förhållandet mellan mängd g VS från ympen och g VS av blandningarna var 1:1,9. Försöken utfördes med tre replikat enligt Tabell 3. I försöket ingick tre replikat med bara ymp för att kunna räkna bort dess bidrag till gasbildningen. Försöksflaskorna placerades på skakbord i ett termostaterat rum vid 37 C. Tabell 3.Försöksupplägg för mätning av metanpotentialen i blandningarna vid satsvis utrötning. Blandning Antal flaskor (S+V)a 3 (S-V)a 3 Ymp Västerås 3 Gasproduktionen beräknades genom att trycket i flaskorna mättes med en digital tryckmätare (GMH 3110) utrustad med en trycksensor (GMSD 2BR; -1000 to 2000 mbar). Trycket konverterades därefter till normal gasvolym (1 atm och 0 C). Gasprover togs och analyserades på gaskromatograf (PerkinElmer ARNEL, Clarus 500; kolonn: 7 HayeSep N 60/80, 1/8 SF; FID detektor 250 C; bärgas: helium, flöde 31 ml/min; injektortemperatur: 60 C; injektion med hjälp av Headspace sampler Turbo Matrix 110). Försöken pågick i 61 dygn. Metanutbytet i N-mL CH 4 /g VS visas grafiskt som kumulativ metanproduktion mot tiden och i tabell för olika tidpunkter.

7 Kontinuerliga rötningar Blandningarna S+V och S-V rötades kontinuerligt vid två olika tillfällen som beskrivs under Kontinuerlig rötning I och Kontinuerlig rötning II. Kontinuerlig rötning I Blandningarna förbereddes med substraten hämtade i april 2011 (Tabell 2). Sammansättningen av S+V ändrades enligt nya uppgifter från Strängnäs Biogas AB. Den potentiellt tillgängliga vallgrödan ändrades från 6000 ton/år till 11700 ton/år, så att mängden TS i vallgrödan blev densamma som ursprungligen beräknats (Bilaga 1, Tabell 19). Tabell 4. TS- och VS-halt i blandningarna under kontinuerlig rötning I. Blandning TS (%) VS (%) (S+V) b 14,3 ± 0,4 12,4 ± 0,4 (S-V) b 12,7 ± 0,4 10,8 ± 0,3 De nya blandningarna analyserades med avseende på TS och VS, (Tabell 4). En kemisk karakterisering av varje blandning utfördes också (Bilaga 3, Tabell 23). Ingen sönderdelning av vallgrödan ingick. Metanproduktion från båda blandningarna utvärderades under kontinuerlig rötning i 2 x 10 L CSTR med 5 L vätskevolym (Figur 1). Figur 1.CSTR bioreaktorer som användes i det kontinuerliga rötningsförsöket. Processen startades med ymp från VafabMiljö, Västerås och utfördes under mesofila förhållanden (37 C). Två olika operativa uppsättningar testades enligt data i Tabell 5. Tabell 5. Substrat och driftsparametrar för kontinuerlig rötning av blandningarna (S+V) b och (S-V) b. Parametrar Reaktor (S+V) b Reaktor (S-V) b Uppsättning 1 Uppsättning 2 Uppsättning 1 Uppsättning 2 Belastning g våtvikt/d 200 110 200 110 substrat Org. belastning g VS/L/d 4,8 2,6 4,4 2,4 Retentionstid d 25 45 25 45 * Ingen tillsats av vatten gjordes i samband med matningen.

8 I den första uppsättningen användes en organisk belastning på 4-5 g VS/L/d med en uppehållstid (HTR) på 25 dygn. I den andra hölls den organiska belastningen mellan 2 och 3 g VS/L/d med en uppehållstid på 45 dygn. Ingen tillsats av vatten gjordes i samband med matningen. Kontinuerlig rötning II JTI hämtade nya substrat i juni 2012. Nya blandningar förbereddes enligt ändrade uppgifter från Strängnäs Biogas AB (potentiell tillgänglig vallgröda ändrades från 11700 ton/år till 14000 ton/år, Bilaga 1, Tabell 20). Vallen var skördad och körd med 25-knivars snittaggregat och hade max 2 cm längd. Samtliga substrat analyserades med avseende på TS och VS (Tabell 6) samt kemisk karakterisering (Bilaga 2, Tabell 22). Blandningarna (S+V) c och (S-V) c analyserades med avseende på torrsubstans TS och VS (Tabell 6). Kemisk karakterisering av de två blandningarna utfördes inte, men en beräknad kemisk karakterisering presenteras i Bilaga 3, Tabell 23. Tabell 6. TS- och VS-halt för varje substrat och blandningar under kontinuerlig rötning II. Substrat TS (%) VS (%) Svingödsel (flyt) 1,6 1,0 Svingödsel (fast) 23,0 18,5 Hönsgödsel (klet) 28,4 20,0 Kycklinggödsel (fast) 39,8 33,7 Nötflytgödsel 9,9 7,9 Kogödsel (fast) 37,9 32,6 Hästgödsel (fast) 25,1 21,0 Drank 5,2 4,8 Glycerol 100,0 100,0 Vallgröda 28,8 26,2 (S+V) c 17,03 14,30 (S-V) c 15,30 12,76 Metanproduktion från båda blandningarna utvärderades under kontinuerlig rötning i 2 x 10 L CSTR med 5 L vätskevolym (Figur 1). Tabell 7. Substrat och driftsparametrar för kontinuerlig rötning av blandningarna (S+V) c och (S-V) c. Parametrar Reaktor (S+V) c Reaktor (S-V) c Org. belastning g VS/L/d 2,5 2,5 Belastning total g våtvikt/d 111 111 Belastning substrat g våtvikt/d 75 105 Vatten g/d 36 6 Retentions tid d 45 45

% TS 9 Reaktorernas innehåll från kontinuerlig rötning I blandades ihop, silades och användes som ymp under mesofila förhållanden (37 C). En operativ uppsättning testades enligt data i Tabell 7. Organisk belastning var 2,5 g VS/L/d och uppehållstiden (HTR) 45 dygn. Observera att tillsats av vatten gjordes i samband med matningen. Resultat Substrat Substraten levererades vid två tillfällen och TS-halten varierade mycket i några av dem (Figur 2). De som varierade mest var svingödsel-flyt, från 5 % TS vid första tillfället till 2 % TS vid det andra, kycklinggödsel-fast varierade från 62 till 40 % TS, nötflytgödsel från 7 till 10 % TS, kogödsel från 20 till 38 % TS, hästgödsel från 31 till 25 % TS och vallgrödan från 18 till 29 % TS (Fig. 2). 120 100 80 60 40 20 0 5 2 23 29 28 20 62 40 7 10 20 38 31 25 6 5 100 100 29 18 1:a leverans Satsvis- Kont I 2:a leverans Kont II Figur 2. % TS i varje substrat vid den olika leveransen. På grund av de varierande mängderna vallgröda (enligt Strängnäs Biogas AB:s inventering, Bilaga 1) förbereddes blandningarna tre gånger (a, b och c). I blandningarna (S+V) a, (S+V) b och (S+V) c bidrog kycklinggödsel med 35, 29 respektive 15 % av blandningens totala TS, medan vallgrödan bidrog med 20, 33 och 51 % av TS (Figur 3.a).

N-mL CH 4 /g VS % av substrat-ts i blandningen % av substrat-ts i blandningen 10 60 50 40 30 20 10 0 51 35 29 33 15 20 13 1112 7 9 6 Kyckl-fast Nöt-flyt Ko-fast Vall a) Satsvis (S+V)a Kont. I (S+V)b Kont. II (S+V)c 60 50 40 30 20 10 0 44 44 30 25 17 17 18 9 9 Kyckl-fast Nöt-flyt Ko-fast Vall b) Satsvis (S-V)a Kont. I (S-V)b Kont. II (S-V)c Figur 3. Substraten bidrag till blandningarnas TS. a) S+V och b) S-V I blandningen (S-V) a, (S-V) b och (S-V) c bidrog kycklinggödsel med 44, 44 respektive 30 % av blandningens TS, medan nötflytgödsel bidrog med 17, 17 och 25 % TS och kogödsel med 9, 9 och 18 % av TS (Figur 3.b). Sammanfattningsvis; blandningarna vid de tre olika tillfällena resulterade i olika kemisk sammansättning som kan göra det svårt att jämföra dem med varandra. Satsvis utrötning Metanproduktion (N-mL CH 4 /g VS motsvarande N-m 3 CH 4 /ton VS) från utrötning av blandningarna presenteras grafiskt som medelvärde av tre replikat i Figur 4. Mätvärdena visar att metanproduktionen fortfarande pågår efter 61 dygn, men att den är låg i förhållande till den ackumulerade metanproduktionen. Försöket avbröts därför vid denna tidpunkt. 350 300 250 200 150 100 50 (S+V)a (S-V)a 0 0 10 20 30 40 50 60 70 Tid (d) Figur 4. Kumulativ metanproduktion från respektive blandning i N-mL CH 4 /g VS (N-m 3 CH 4 /ton VS). Ympens bidrag till gasbildningen räknades bort.

11 Tabell 8 visar metanutbytet i N-mL CH 4 /g VS vid olika tidpunkter. Metanproduktionen efter 61 dygn ger ett mått på den maximala mängd metan som kan utvinnas, medan värdena för 13, 25, 30 och 48 dygn ger riktvärden för vanligare uppehållstider i en rötkammare. Tabell 8. Utrötning av blandningarna. Metanutbyte (N-mL CH 4 /g VS eller N-m 3 CH 4 /ton VS) vid olika tidpunkter samt metanhalten. Blandning Metanutbyte (N-mL CH 4 /g VS eller N-m 3 CH 4 /ton VS) 13 dygn 25 dygn 30 dygn 48 dygn 61 dygn (S+V) a 117 ± 11 249 ± 13 275 ± 11 303 ± 11 313 ± 13 (S-V) a 151 ± 9 248 ± 13 264 ± 14 290 ± 19 300 ± 21 Resultaten från utrötningen visar att metanproduktionen kom igång relativt snabbt i närvaro av Västeråsympen, vilket kan tolkas som att ympen hade rätt mikrobiell flora för att kunna bryta ned blandningarna (Fig. 4). Tabell 9. Utrötning av blandningarna. Metanutbyte (% av den maximala) vid olika tidpunkter. Blandning Metanutbyte (% av den maximala) 13 dygn 25 dygn 30 dygn 48 dygn 61 dygn (S+V) a 37 80 88 97 100 (S-V) a 50 83 88 97 100 Resultaten i Tabell 8 visar också att det inte var så stora skillnader mellan blandningarna, då TS- och VS-halten låg nära varandra. Det finns en tendens att blandning (S+V) a (313 N-mL/g VS) skulle ge ett något högre maximiutbyte av metan än (S-V) a (300 N-mL/g VS). Standardavvikelserna i försöken är dock i den storleksordningen att de tangerar varandra och därför kan man ej säkerställa en statistisk skillnad. Däremot gav (S-V) a -blandningen (151 N-mL/g VS) en signifikant högre metanproduktion efter 13 dygn jämfört med (S+V) a -blandningen (117 N-mL/g VS), vilket tyder på ett högre innehåll av tillgängligt kol i (S-V) a -blandningen. Efter 25 dygn hade 80-83 % av den slutliga metanpotentialen uppnåtts (Tabell 9), vilket visar att båda blandningarna kan bli lämpliga substrat vid motsvarande uppehållstid. Tabell 10 visar metanutbytet vid olika tidpunkter, men uttryckt som N-mL CH 4 /g våtvikt. Detta ger en uppfattning om hur mycket metan som kan erhållas per g våtvikt, vilket är intressant med tanke på transporter och hantering. Inga signifikanta skillnader observerades på grund av att TS-halten i blandningarna ligger nära varandra (Tabell 2).

12 Tabell 10. Utrötning av blandningarna. Metanutbyte (N-mL CH 4 /g våtvikt eller N-m 3 CH 4 /ton våtvikt) vid olika tidpunkter. Blandning Metanutbyte (N-mL CH 4 /g våtvikt eller N-m 3 CH 4 /ton våtvikt) 13 dygn 25 dygn 30 dygn 48 dygn 61 dygn (S+V) a 16 ± 1,5 33 ± 1,7 37 ± 1,5 40 ± 1,5 42 ± 1,8 (S-V) a 19 ± 1,1 32 ± 1,6 34 ± 1,8 37 ± 2,4 38 ± 2,7 Kontinuerliga rötningar Kontinuerlig rötning I Metanproduktionen och biogassammansättningen från den kontinuerliga rötningen av blandningarna (S+V)b och (S-V)b visas i Tabell 11 för de två parametraruppsättningar som testades. Tabell 12 visar den kemiska karakteriseringen av rötresterna för samtliga uppsättningar. Tabell 11. Resultat från processerna med blandningarna (S+V) b och (S-V) b. Kontinuerlig rötning I Metanprod. N-mL CH 4 /g VS (S+V) b (S-V) b Uppsättning 1 Uppsättning 2 Uppsättning 1 Uppsättning 2 115 122 190 168 Tabell 12. Kemisk karakterisering av rötrest från processer med (S+V) b och (S-V) b blandningar. Rötrest (S+V) b Rötrest (S-V) b Uppsättning 1 Uppsättning 2 Uppsättning 1 Uppsättning 2 TS % 9 10 8 10 VS % 7 8 6 7 VS/TS 0,81 0,83 0,78 0,67 Tot-N kg/ton 5,8 5,9 5,8 5,9 Org-N kg/ton 2,3 2,5 1,7 2,0 NH 4 -N kg/ton 3,4 3,4 4,1 3,8 Tot-C kg/ton 39 44 33 37 Tot-C/Tot-N 6,7 7,5 5,7 6,3 Tot-P kg/ton 1,0 1,0 1,0 1,9 Tot-K kg/ton 3,9 4,0 4,4 4,6 Tot-Mg kg/ton 0,7 0,7 0,6 1,3 Tot-Ca kg/ton 2,0 2,7 1,5 7,0 Tot-Na kg/ton 0,5 0,4 0,6 0,5 Tot-S kg/ton 0,5 0,8 0,5 2,3 Fosfat kg/ton 0,3 0,3 Fettsyror g/l 0,15 0,17 2,05 0,36 ph 7,8 7,9 8,1 8,1

13 Kontinuerlig rötning II Metanproduktionen och biogassammansättningen från den kontinuerliga rötningen av blandningarna (S+V) c och (S-V) c visas i Tabell 13. Tabell 14 visar den kemiska karakteriseringen av rötresterna för samtliga processer. Tabell 13. Resultat från processerna med blandningarna (S+V) c och (S-V) c. Kontinuerlig rötning II (S+V) c (S-V) c Metanprod. N-mL CH 4 /g VS 133 197 CH 4 % 57 61 CO 2 % 38 32 Tabell 14. Kemisk karakterisering av rötrest från processer med (S+V) c och (S-V) c blandningar. Rötrest (S+V) c Rötrest (S-V) c TS % 7,76 8,62 VS % 5,82 6,47 Tot-N kg/ton 5,52 5,98 Org-N kg/ton 1,89 1,89 NH 4 -N kg/ton 3,63 4,09 Tot-C kg/ton 31,16 34,25 C/N 5,65 5,73 Tot-P kg/ton 0,91 1,06 Tot-K kg/ton 4,23 4,12 Tot-Mg kg/ton 0,69 0,78 Tot-Ca kg/ton 1,79 2,14 Tot-Na kg/ton 0,56 0,75 Tot-S kg/ton 0,44 0,55 Fettsyror g/l 0,21 0,41 ph 7,8 7,9 Diskussion Den kontinuerliga rötningen I gjordes under två förutsättningar: a) att vallgrödan helst inte skulle sönderdelas, b) att man skulle mata in substratet utan tillsats av vatten. Båda förutsättningarna hade som mål att minimera vattenanvändningen. Vid våta sönderdelningsmetoder krävs ofta mycket vatten eftersom TS-halten i blandningen inte får bli högre än 6 % när t.ex. skärande pump används [1]. Tillförsel av vatten leder dock till att stora volymer måste hanteras, vilket ökar kostnaderna. Att inte sönderdela och tillföra extra vatten kan också generera problem i rötkammaren. Långstråig vallgröda kan orsaka problem med svämtäckesbildning och lägre koltillgänglighet på grund av färre aktiva ytor. Vid rötning av fiberrikt material

14 kommer både fiberlängd och fiberkoncentration att påverka omrörarsystemet och möjligheten att hålla rötkammaren totalomblandad. Generellt anges ofta TS-halten i rötkammaren som en kritisk parameter för dimensionering av en rötkammaromrörare. Detta är dock en förenkling och en rötkammares omrörningsbehov är framför allt beroende av mängden partiklar i rötkammarinnehållet, samt partiklarnas storlek och partikeldensiteten. Vid rötning av fiberrika substrat blir därför fiberkoncentrationen, fiberlängden mycket viktiga för hur en omrörare skall dimensioneras för att hålla rötkammaren totalomblandad. Dessutom är fibrerna ofta lättare än den vätska den befinner sig i, varför det finns risk för att fibrerna bildar svämtäcke i rötkammaren om omrörningen inte är tillräckligt kraftig. Nordberg m.fl. (1997) [2] har visat att effektiv sönderdelning av fiberrika substrat är en förbehandlingsmetod som möjliggör att höja fiberkoncentrationen i rötkammaren och samtidigt ha en effektiv omblandning av rötkammaren med en rimlig insats av elektricitet till omröraren. Vid dessa studier, där huvudsakligen väl sönderdelad vallgröda (som innehåller mycket fibrer) rötades, kunde totalomblandning uppnås vid en TS-halt på strax över 10 % med ett specifikt metanutbyte på ca 300 N-mL CH 4 /g VS. Låg specifik metanproduktion observerades i processerna med (S+V) b och (S-V) b - blandningarna, 115-122 N-mL CH 4 /g VS för (S+V) b och 168-190 N-mL CH 4 /g VS för (S-V) b. Vissa omrörningsproblem observerades under kontinuerlig rötning I, möjligen på grund av de höga TS-halterna, särskilt i reaktorn med S+V-blandningen där ackumulering av vallgrödan förekom. Omrörningen blev trög och packningarna i systemet kollapsade ofta, vilket vi trodde skulle ha genererat gasläckage. Flera mätningar utfördes för att mäta möjliga läckage, men inga bevis hittades. Därför utesluter vi läckage som förklaring till den låga metanproduktionen i reaktorerna. I den kontinuerliga rötningen II, där man använde sönderdelad vallgröda, förekom inga omrörningsproblem eller ackumulering av vallgrödan. Den specifika metanproduktionen var 133 N-mL CH 4 /g VS för (S+V) c och 197 N-mL CH 4 /g VS för (S-V) c. Resultaten är ändå lägre än: a) de värden som erhållits i de satsvisa försöken och vid motsvarande tidpunkter (25 och 45-48 dygn) och b) processberäkningar baserade på teoretisk massbalans (Tabell 14, Alt 1 och Alt 2). En faktor som kan ha påverkat resultaten är användningen av kväverikt material. Organiskt material bryts ned i flera steg, vilket kräver aktivitet av många olika mikroorganismer. De mikroorganismer som utför det sista, metanbildande steget i denna process har visat sig vara särskilt känsliga för olika hämmande komponenter som till exempel ammonium som bildas från kväverikt avfall. Detta resulterar i en snabb minskning av biogasproduktionen och en ökad risk för att nedbrytningen helt stannar av. Det har rapporterats att ammoniumnivåer kring och över 3 g/l ofta orsakar hämning (Substrathandboken)[3]. Det har visat sig att mikroorganismerna i vissa fall kan anpassas till att arbeta vid högre ammoniumhalter. Traditionellt anses det sista steget av biogasproduktionen till stor del fortgå genom en direkt klyvning av ättiksyra till metan och koldioxid (Fig. 5.a). Men det finns nya studier som visar en alternativ reaktionsväg, så kallad syntrof acetatoxidation (SAO). I SAO omvandlas acetat först till vätgas och koldioxid, och dessa produkter används sen till bildning av biogas (Fig. 5.b). De inblandade mikroorganismerna kan nämligen växa och vara aktiva i högre koncentration av ammonium jämfört med mikroberna som direkt klyver ättiksyra [3, 4]. Metanbildning i en SAO-process är långsammare, vilket innebär att nedbrytningen

15 av organiskt material och biogasproduktion går långsammare jämfört med när metan bildas genom klyvning av acetat. Övergången till SAO kan resultera i en tvåfaldig minskning av metanutbytet [4]. a) b) Figur 5. Metanbildning från a) klyvning av acetat, eller b) oxidation av acetat till vätgas och koldioxid och bildning av metan från koldioxid. Från Mikrobiologisk handbok för biogasanläggningar, Rapport U2009:03 [3]. Det finns några bevis som kan tyda på att SAO förekom i våra processer: I alla våra processer låg ammoniumkvävet på ganska höga nivåer (3,4 4,1 g/l) oavsett organisk belastning eller tillsats av vatten. Processerna var ändå robusta, dvs. inga tecken på sammanbrott, som hög VFA eller lågt ph, observerades. Uppstarten av biogasreaktorerna gjordes med ymp från en biogasreaktor med en SAO biogasprocess. En studie om mikrobiella populationer i en jordbruksbiogasanläggning (Tyskland) som matades med majsensilage, grön råg och hönsgödsel visade att metanproduktion skedde huvudsakligen via SAO-processen och att klyvning av acetat till metan verkar vara underrepresenterad [5]. Vid ett pågående projekt vid JTI, där kycklinggödsel samrötas med nötflytgödsel, drivs rötningsprocesser vid ammoniumkvävehalter över 4 g/l och vid en organisk belastning på rötkammaren som överstiger 3 g VS/L/d. SAOaktivitet har påvisats i de här reaktorerna. Att ha en SAO biogasprocess förklarar inte varför S+V -blandningarna, med högre andel kol på grund av vallgrödan, hade samma eller lägre specifika metanproduktion än S-V -blandningarna. Sönderdelningsgraden påverkade inte metanutbytet, dvs. sönderdelad vallgröda gav inte högre metanutbyte jämfört med icke sönderdelad vallgröda. Vidare påvisades i en annan studie att sönderdelning av ensilage inte påverkade metanutbytet eller nedbrytningshastigheten [2]. Eftersom processerna inte visade en ackumulering av VFA, tyder det på att processen hade en störning i ett tidigare steg. Produktionen av biogas från komplexa bioavfall är hastighetsbegränsad genom hydrolyssteg i rötningsprocessen. Det kan vara värt att påpeka att dynamiken i hydrolyssteget inte är noga kartlagt i litteraturen. Enligt Fernandes, T.V.[6] visar humic syror (HAL) och fulvic syror (FAL) som extraheras från färsk kogödsel och majsensilage en starkt hämmande effekt på hydrolyssteget. Detta kan kanske förklara varför inget högre utbyte observerades i blandningarna med vall jämfört med dem utan vall.

16 Några alternativa anläggningsutformningar Massflöden och biogasproduktion för fyra alternativ Det finns flera tänkbara alternativ för att optimera metanprocessen från gödselblandningar rika på kväve och fibermaterial. Genom att exkludera fiberrikt material kan man underlätta att hålla rötkammaren totalomblandad, vilket är en förutsättning för att långsiktigt kunna driva en stabil rötningsprocess med högt specifikt gasutbyte. I Tabell 15 redovisas de årligen rötade råvarorna i de fyra alternativen och i Tabell 16 redovisas teoretiska beräkningar för rötningsprocesser, som JTI genomfört. Observera att dessa kalkyler ej bygger på den låga specifika metanproduktionen som redovisas från de kontinuerliga försöken, se Tabell 11 och 13. Metodiken för att beräkna gasproduktionen i Tabell 16 bygger istället på att summera bidraget från varje enskilt substrat vad gäller dess kemiska sammansättning och förväntat gasutbyte (se Tabell 15). Dessa biogaskalkyler baserar sig på att en kontinuerlig totalomblandad rötningsprocess kan uppnå ett gasutbyte från de rötade substraten som motsvarar ca 70-87 % av de specifika gasutbytena som har uppnåtts vid satsvisa rötningsförsök. Denna ansats stämmer väl med erhållna gasutbyten från de satsvisa försöken som redovisas i Tabell 8. Trots att de använda specifika metanutbytena i denna beräkning vida överstiger vad som faktiskt erhölls vid de kontinuerliga försöken i denna studie, bedömer vi att det är möjligt att nå de höga gasutbyten som används i Tabell 15. Detta skulle kunna ske med vissa åtgärder, t.ex. en kombination av tillsats av spårmetaller/järnklorid och en naturlig anpassning av mikrofloran till substratblandningen samt drift av rötkammaren under längre tid.

17 Tabell 15. Rötade råvaror i alternativ 1 4 samt använt specifikt metanutbyte för respektive råvara vid kalkyl av biogasproduktion, som redovisas i Tabell 16. För ytterligare information gällande substratblandningarna, se Tabell A.2 och A.3. Substrat Alt 1 (S+V) b Alt 2 (S-V) b Alt 3 (S+V) c Alt 4 (S-V) c Gasutbyte Våt vikt Våt vikt Våt vikt Våt vikt Spec. metan ton/år ton/år ton/år ton/år l/kg VS Svingödsel (flyt) 5000 5000 5000 5000 250 Svingödsel (fast) 300 300 300 300 200 Hönsgödsel (klet) 240 240 240 240 230 Kycklinggödsel (fast) 3000 3000 3000 3000 230 Nötflytgödsel 10000 10000 10000 10000 200 Kogödsel (fast) 1900 1900 1900 1900 185 Hästgödsel (fast) 1200 1200 1200 1200 150 Drank 5800 5800 5800 5800 320 Glycerol 200 200 200 200 350 Vallgröda 11700 0 14000 0 300 Summa substrat exkl. vatten 39340 27640 41640 27640 ton/d ton/d ton/d ton/d Substrat till rötning 33,6 27,6 41,6 27,6 De studerade fyra alternativen (mesofila) kan kort beskrivas som: Alt 1: Alla aktuella substrat rötas. Cirka 50 % av torrsubstansen som rötas innehåller mycket fiberrikt material. Alt 2: Vallen fasas ut för att minska förekomsten av fibrer. Alt 3: Ungefär samma förutsättningar som Alt 1. Dock skillnad på mängden vallgröda och dess TS-halt samt TS-halt på gödseln som rötas, men också att det tillförs en betydande mängd spädvatten. Alt 4: Ungefär samma förutsättningar som Alt 2. Dock lite skillnad på sammansättningen på den gödsel som rötas, men också att det tillförs spädvatten.

18 Tabell 16. Processberäkningar baserade på teoretisk massbalans. Alt 1 Alt 2 Alt 3 Alt 4 Inkl. vall Exkl. vall Inkl. vall Exkl. vall (S+V) b (S-V) b (S+V) c (S-V) c Substrat till rötning ton/d 107,8 75,7 114,1 75,7 TS-substratblandning % 16,4 15,8 19,1 14,2 VS/TS % 85 83 87,7 84,2 Vattenspädning ton H 2 O/d 54,8 4,3 TS efter H 2 O-spädning % 12,9 13,4 Spec metan L CH 4 /kg VS 253 229 263 222 Metanhalt % 55 57 57 61 TS-ut, rötkammare % 8,6 9,8 6,8 8,9 Belastning kg/m 3 &d 3,5 3,5 3,5 3,5 HRT-ut D 44 40 35 34 Reaktorvolym, våt m 3 4310 2850 5460 2590 Biogasproduktion 1) m 3 /d 6950 4010 8830 3310 Rötrestproduktion ton/år => 36000 25700 57500 27700 Biogasproduktion 1) MWh/d 37,5 22,4 49,3 19,8 Rötrestproduktion ton/d 98,7 70,6 157,6 76,0 Mängd växtnäring i rötrest N-tot ton/år 216 153 231 141 Fosfor ton/år 49 41 43 32 Kalium ton/år 201 138 197 116 N-tot kg/ton rötr. 6,0 5,9 4,0 5,1 Fosfor kg/ton rötr. 1,37 1,6 0,75 1,14 Kalium kg/ton rötr. 5,6 5,4 3,4 4,2 Mineraliseringsgrad % 60 65 60 65 Ammoniumkvävehalt g/l 3.6 3.8 2.4 3.3 1) Beräknad gasproduktion baserat på erfarenhetsvärden vad de olika delsubstraten har för kapacitet att producera metan vid rötningsprocesser som ej är utsatta för biologisk hämning. Vidare inkluderas ej något biogasbidrag som kan erhållas om biogasanläggningen förses med efterrötkammare. Det kan konstateras att biogasproduktionen är 1,5-2,1 ggr större för alternativ 1 och 3 som inkluderar vallgröda som substrat jämfört med alternativ 2 och 4. Det finns ekonomiska skalfördelar med en större biogasanläggning. Dock finns andra aspekter som påverkar ekonomin: Vallgröda är ett dyrt substrat att införskaffa för rötning. Behöver anläggningen effektiv sönderdelningsutrustning ökar både investeringen och underhållskostnaderna. Investeringen ökar för omrörningsutrustning för rötkammare, men även för andra tankar då det rötade substratet innehåller mycket fibrer Behovet av processelektricitet för att driva omrörare ökar om det rötade substratet innehåller mycket fibrer. Vattenspädning innebär dyrare rötresthantering.

19 Förslag på generell anläggningsutformning Baserat på förutsättningarna som redovisas i Tabell 15 och 16 sammanställs i detta kapitel förslag på utformning av de fyra alternativa anläggningarna vad gäller de viktigaste tankvolymerna som bör finnas i anslutning till själva biogasanläggningen separation av råvaruflödena i anläggningen. Förslag på tankvolymer vid biogasanläggningen I Tabell 17 ges ett förslag på de viktigaste tankvolymerna vid biogasanläggningen för de fyra alternativen. Vi rekommenderar att förse anläggningen med ett efterrötningssteg som minst har halva tankvolymen som rötkamrarna. Vår bedömning är att det på detta sätt går att öka anläggningens biogasproduktion med minst 10 % jämfört med vad som redovisas i Tabell 16. Tabell 17. Förslag på tankvolymer vid biogasanläggningen. Alt 1 Alt 2 Alt 3 Alt 4 Fyllandsvolym Antal rötkammare 2 1 2 1 Volym per rötkammare 2150 2850 2750 2600 m 3 våt volym Antal efterrötkammare 1 1 1 1 Volym, per efterrötkammare 2150 1420 2750 1300 m 3 våt volym Bedömd extra gasproduktion, efterrötkammare 10 % 10 % 10 % 10 % Flytgödsellager vid biogasanläggning 200 200 200 200 m 3 våt volym Lager för drank 80 80 80 80 m 3 våt volym Rötrestlager vid biogasanläggning 500 350 800 400 m 3 våt volym Förslagsvis lagras drank i en separat tank. Dranken tillförs förslagsvis direkt till rötningssteget. Om krav ställs på att dranken skall hygieniseras kan den samhanteras med gödseln, men i så fall måste lagerbehållaren för de flytande produkterna ökas med 80 m 3. Förslag på separering av råvaruflöden Nedan finns ett förslag på hur de olika råvarorna skall hanteras vid biogasanläggningen. Förslagsvis har anläggningarna tre linjer om vallgröda ej inkluderas och fyra linjer om vallgröda inkluderas. Förslaget bygger på vilka fysikaliska egenskaper materialen har, hur energitäta de är och vilken förbehandling som torde krävas (sönderdelning, separation av sten och metall samt värmebehandling). 1. Kycklinggödsel och hönsgödsel samhanteras med glycerol som är de energirikaste substraten. Dessa, relativt lätthanterliga fraktioner, hanteras i en separat linje. Förslagsvis används en foderblandare som skruvar materialet direkt in i rötkammaren (alternativt in i hygieniseringstankarna, om denna fraktion måste värmebehandlas).

20 2. Flytgödsel från svin och nöt som skall rötas, samlagras i en behållare vid anläggningen. Denna behållare bör minst ha en lagringskapacitet på 5 dagars drift. 3. Fastgödseln från häst, svin och nöt hanteras separat i en foderblandare. Denna fastgödselfraktion behöver troligen sönderdelas liksom att grus, sten och metallföremål, som är vanligt förekommande, bör separeras innan den hygieniseras. Notera att slitaget kan vara stort på utrustning som sönderdelar denna fraktion. Om sten/metallseparation ej inkluderas som förbehandlingssteg innan tillförsel till rötkammaren, finns risk för betydande driftstörningar via stopp i pumpar, stort slitage samt att betydande sediment byggs upp i anläggningens tankar. 4. Vallgröda hanteras separat i en egen foderblandare. Vallgrödan skruvas direkt in i rötkammaren (hygienisering torde ej vara nödvändigt). Vallgrödan bör troligen sönderdelas ytterligare innan rötning. Det är tekniskt utmanande att röta fiberrika fraktioner som vallgröda och halmrik fastgödsel. Dessa måste sönderdelas effektivt innan rötning i en våt totalomblandad process, och om sönderdelningen inte är tillräcklig uppstår ofta problem med att hålla rötkammaren totalomblandad. Detta kan t.ex. leda till bildning av svämtäcke i rötkammaren och stopp i ledning för utflöde ur rötkammaren samt stopp i värmeväxlare. Referenser 1. Karlsson, S. and L. Svensson, Konvertering av fast- och kletgödsel till flytgödsel, 1993, JTI-Jordbrukstekniska institutet. 2. Nordberg, Å. and M. Edström, Optimering av biogasprocess för lantbruksrelaterade biomassor, 1997, JTI-Jorbrukstekniska institutet. 3. Schnürer, A. and Å. Jarvis, Mikrobiologisk handbok för biogasanläggningar, 2009, SGC-Svenskt Gastekniskt Center AB och Avfall Sverige utveckling. 4. Schnurer, A. and A. Nordberg, Ammonia, a selective agent for methane production by syntrophic acetate oxidation at mesophilic temperature. Water Science and Technology, 2008. 57(5): p. 735-740. 5. Krause, L., et al., Taxonomic composition and gene content of a methaneproducing microbial community isolated from a biogas reactor. Journal of Biotechnology, 2008. 136(1-2): p. 91-101. 6. Fernandes, T.V., Hydrolysis inhibition of complex biowaste. Hydrolysis inhibition of complex biowaste2010: Wageningen Universiteit (Wageningen University). 182 pp.

21 Bilaga 1. Totalt tillgängliga mängder substrat per år Satsvisa utrötningar Tabell 18. Totalt tillgängliga mängder substrat per år, procentuell mängd av varje substrat i blandningarna och mängd TS och VS per år enligt mätningar/beräkningar gjorda av JTI. Substrat % av substrat våt % av substrat TS Mängd TS Mängd vikt i blandningen i blandningen Våt vikt % TS Ton/år (S+V) a (S-V) a Ton/år (S+V) a (S-V) a Svingödsel (flyt) 5000 15 18 5 250 5 6 Svingödsel (fast) 300 1 1 20 60 1 1 Hönsgödsel (klet) 240 1 1 29 70 1 2 Kycklinggödsel (fast) 3000 9 11 62 1860 35 44 Nötflytgödsel 10000 30 36 7 700 13 17 Kogödsel (fast) 1900 5 7 20 380 7 9 Hästgödsel (fast) 1200 3 4 31 372 7 9 Drank 5800 17 21 6 348 7 8 Glycerol 200 1 1 100 200 4 5 Vallgröda 6000 18-18 1080 20 TOTALT S+V (med vall) 33640 100 5320 100 TOTALT S-V (ex vall) 27640 100 4240 100 Kontinuerlig rötning I Tabell 19. Totalt tillgängliga mängder substrat per år, procentuell mängd av varje substrat i blandningar och mängd TS och VS per år enligt mätningar/beräkningar gjorda av JTI. Observera ny mängd vallgröda. Substrat % av substrat våt % av substrat TS i Mängd TS Mängd vikt i blandningen blandningen Våt vikt % TS Ton/år (S+V) b (S-V) b Ton/år (S+V) b (S-V) b Svingödsel (flyt) 5000 13 18 5 250 4 6 Svingödsel (fast) 300 1 1 20 60 1 1 Hönsgödsel (klet) 240 1 1 29 70 1 2 Kycklinggödsel (fast) 3000 8 11 62 1860 29 44 Nötflytgödsel 10000 25 36 7 700 11 17 Kogödsel (fast) 1900 5 7 20 380 6 9 Hästgödsel (fast) 1200 3 4 31 372 6 9 Drank 5800 15 21 6 348 5 8 Glycerol 200 1 1 100 200 3 5 Vallgröda 11700 30-18 2106 33 TOTALT (med vall) 39340 100 6346 100 TOTALT (ex vall) 27640 100 4240 100

22 Kontinuerlig rötning II Tabell 20. Totalt tillgängliga mängder substrat per år, procentuell mängd av varje substrat i blandningar och mängd TS och VS per år enligt mätningar/beräkningar gjorda av JTI. Observera ny mängd vallgröda. Substrat % av substrat våt % av substrat TS Mängd TS Mängd vikt i blandningen i blandningen Våt vikt % TS Ton/år (S+V) c (S-V) c Ton/år (S+V) c (S-V) c Svingödsel (flyt) 5000 12 18 2 80 1 2 Svingödsel (fast) 300 1 1 23 69 1 2 Hönsgödsel (klet) 240 1 1 28 68 1 2 Kycklinggödsel (fast) 3000 7 11 40 1194 15 30 Nötflytgödsel 10000 24 36 10 990 12 25 Kogödsel (fast) 1900 5 7 38 720 9 18 Hästgödsel (fast) 1200 3 4 25 301 4 8 Drank 5800 14 21 5 302 4 8 Glycerol 200 0 1 100 200 3 5 Vallgröda 14000 34 0 29 4032 51 TOTALT (med vall) 41640 100 7956 100 TOTALT (ex vall) 27640 100 3924 100

23 Bilaga 2. Kemisk karakterisering av varje substrat Tabell 21. Kemisk karakterisering av varje substrat till den satsvisa utrötningen och kontinuerlig rötning I. Svinflyt Svinfast Hönsklet Kycklingfast Nötflyt Kogödsel Hästgödsel Tot-N kg/ton 2,7 3,7 10,6 23,3 3,2 4,0 4,3 Org-N kg/ton 0,9 3,7 4,5 18,6 1,4 3,8 4,1 NH 4 -N kg/ton 1,9 0,01 6,1 4,7 1,8 0,2 0,2 Tot-C kg/ton 18 71 99 250 28 74 129 Tot-C/Tot-N 7 19 9 11 9 19 30 Tot-P kg/ton 0,56 1,25 5,09 8,25 0,58 0,91 0,93 Tot-K kg/ton 1,63 5,33 6,39 18,69 3,54 12,47 4,63 Tot-Mg kg/ton 0,31 0,75 2,86 4,19 0,62 1,24 0,56 Tot-Ca kg/ton 0,85 2,58 23,02 9,24 1,38 3,27 1,39 Tot-Na kg/ton 0,43 0,06 0,99 1,34 0,75 0,33 0,18 Tot-S kg/ton 0,35 0,74 1,67 4,22 0,50 0,83 0,46 Tabell 22. Kemisk karakterisering av varje substrat till kontinuerlig rötning II. Svinflyt Svinfast Hönsklet Kycklingfast Nötflyt Kogödsel Hästgödsel Drank Vall Tot-N kg/ton 2,0 6,4 9,9 18,3 3,9 7,6 4,0 2,4 6,4 Org-N kg/ton 0,5 5,4 4,9 15,0 2,6 7,3 4,0 2,4 5,8 NH4-N kg/ton 1,5 1,0 5,0 3,32 1,4 0,3 0,01 0,01 0,6 Tot-C kg/ton 6 96 107 172 43 167 108 25 135,1 2,9 15,1 10,8 9,4 11,0 22,0 27,1 10,4 21,0 Tot-C/Tot-N Tot-P kg/ton 0,16 3,28 3,68 4,84 0,73 1,30 1,05 0,60 0,8 Tot-K kg/ton 1,5 3,1 5,4 13,7 4,2 6,8 4,8 0,8 5,8 Tot-Mg kg/ton 0,11 1,90 1,38 3,24 0,78 0,94 0,70 0,25 0,6 Tot-Ca kg/ton 0,53 7,98 21,62 6,48 1,92 1,61 1,54 0,53 1,8 Tot-Na kg/ton 0,50 0,42 0,76 1,24 0,97 0,18 0,27 0,06 0,4 Tot-S kg/ton 0,14 1,05 1,23 3,47 0,72 0,98 0,44 0,18 0,6

25 Bilaga 3. Kemisk karakterisering av blandningarna Tabell 23. Kemisk karakterisering av blandningar S+V och S-V vid kontinuerlig rötningen I och II. Kontinuerlig I* Kontinuerlig II** Substrat Substrat Substrat Substrat (S+V) b (S-V) b (S+V) c (S-V) c TS % 14,00 13,00 17,03 15,3 VS % 12,00 11,00 14,3 12,76 Tot-N kg/ton 6,70 6,80 5,56 5,12 Org-N kg/ton 4,20 3,80 4,55 3,93 NH 4 -N kg/ton 2,50 3,00 1,01 1,19 Tot-C kg/ton 63,00 60,00 84,36 58,66 Tot-C/Tot-N 9,40 8,82 15,17 11,47 Tot-P kg/ton 1,40 1,70 1,03 1,15 Tot-K kg/ton 4,50 5,30 4,75 4,21 Tot-Mg kg/ton 1,10 1,20 0,76 0,83 Tot-Ca kg/ton 2,90 2,70 1,99 2,06 Tot-Na kg/ton 0,60 0,80 0,54 0,62 Tot-S kg/ton 0,70 0,90 0,75 0,81 *Analyserat **Beräknad substratsammansättning före vattenspädning