Anaerob behandling av industriavlopp - VA-teknik på LTH
Utvärdering av potential för anaerob behandling av industriellt avloppsvatten vid ambient temperatur Sofie Andreasson & Nelly Dahl Vattenförsörjnings- och Avloppsteknik Institutionen för kemiteknik, LTH Examensarbete 2014 Utvärdering av potential för anaerob behandling av industriellt avloppsvatten vid ambient temperatur av Sofie Andreasson & Nelly Dahl Master Thesis number: 2014-5 Vattenförsörjnings- och avloppsteknik Institutionen för Kemiteknik Lunds universitet Juni 2014 Handledare: Doktorand Hamse Kjerstadius & Professor Jes la Cour Jansen Examinator: Forskarassistent Åsa Davidsson Bild på framsida: Uppstart av BMP-fösök, avluftning med kvävgas. Lund. Foto taget av Sofie Andreasson Postadress P.O. Box 124 SE-221 00 Lund, Sweden Webadress www.vateknik.lth.se Besöksadress Getingevägen 60 Telefon +46 46-222 82 85 +46 46-222 00 00 Fax +46 46-222 45 26 Förord Detta examensarbete har genomförts vid Vattenförsörjnings- och avloppsteknik (VA-teknik) vid institutionen för Kemiteknik på Lunds Tekniska Högskola (LTH) i samarbete med Skånemejerier och The Absolut Company. Examensarbetet är det sista steget i utbildningen till Civilingenjör i Bioteknik. Arbetet har involverat ett flertal personer som vi nu skulle vilja tacka. Först och främst vill vi tacka Hamse Kjerstadius för alla tips, råd och för all den kunskap du har delat med dig av under arbetets gång. Tack för att du alltid har ställt upp. Oavsett vad du själv har haft att göra har du alltid tagit dig tid att lyssna på oss och hjälpa oss med ett stort engagemang från början till slut. Utan din entusiasm och energi hade arbetet med examensarbetet inte varit hälften så roligt. Vi skulle också vilja tacka Jes la Cour Jansen för värdefull hjälp vid sammanställning och strukturering av examensarbetet. Vi vill tacka Marcus Hansson och The Absolut Company för att vi fick göra detta examensarbete i samarbete med er. Tack för ett mycket trevligt mottagande, en spännande rundvisning och ett gott samarbete. Vi vill även tacka Fredrik Javenskjöld och Skånemejerier för samarbetet under exjobbets gång och för att vi har fått all den hjälp och den information vi behövde. Vi vill även rikta ett tack till Ylva Eriksson på Sjölunda reningsverk och Magnus Persson på Carlsbergs reningsverk för att vi fick komma och hämta ymp och för trevliga rundvandringar. Dessutom vill vi tacka Gertrud Persson för alla trevliga samtal, all hjälp med det laborativa arbetet och för att du har ställt upp och hjälpt oss med allt från osammarbetsvilliga maskiner till tips och råd under labbandet. Sist men inte minst vill vi tacka våra vänner Anna Saarvanto, Boris Trivic och Maja Ekblad i exjobbsrummet för alla spännande diskussioner och skratt. Även tack till alla andra på institutionen för trevliga samtal och stunder under vårterminen! Sofie Andreasson & Nelly Dahl Lund, Juni 2014 I II Sammanfattning Sveriges avloppsreningsverk började under 1960-talet producera biogas. Ett decennium senare ledde oljekriserna till att inställningen till biogas ändrades från en restprodukt från avloppsreningsverken till att bli en möjlig lösning på oljeberoendet och miljöproblemen. Idag har Sverige kommit långt när det gäller biogas med ett stort antal anläggningar i hela landet. Biogas är slutprodukten av rötning, anaerob biologisk nedbrytning, av organiskt material. Den producerade biogasen består till största del av metan och koldioxid och är en förnyelsebar energikälla som kan användas till elektricitet, värme och bränsle. Syftet med denna studie var att undersöka huruvida rötning av industriellt avloppsvatten från livsmedelsindustrin, Skånemejerier och The Absolut Company, vid ambient temperatur (20 °C ) skulle vara ett alternativ för företagen för potentiell energiåtervinning. Traditionellt sätt drivs en rötningsprocess vid temperaturer runt 35 °C (mesofilt) eller 55 °C (termofilt) men om stora flöden avloppsvatten med låg temperatur och låg koncentration av organiskt material ska rötas vid dessa temperaturer skulle det krävas en mycket stor mängd energi för att värma upp vattnet. Om rötningen däremot kan drivas vid en ambient temperatur kan processen i teorin bli mycket mer lönsam då företagen inte behöver värma upp avloppsvattnet och erhåller energi genom biogasproduktionen. För att kunna röta vid ambient temperatur krävs att ympen (mikroorganismerna) är väl acklimatiserad till den valda temperaturen för att inte metanproduktionshastigheten ska bli för låg. På grund av detta undersöktes i denna studie tre olika ymper: - En ymp från en mesofil anaerob rötningsprocess (Sjölunda reningsverk) som drivs vid 35 °C. - En ymp från en mesofil anaerob rötningsprocess (Sjölunda reningsverk) som drivs vid 35 °C och anpassades till en ambient temperatur på 20 °C. - En ymp med granuler från en anläggning som drivs vid 25-27 °C (Carlsbergs biogasanläggning). Sammansättningen av substratet är viktig för att uppfylla mikroorganismernas näringskrav samt för att generera en biogas med hög metanhalt. För att uppnå syftet genomfördes därför satsvisa utrötningsförsök på avloppsvattnet, samt på referenssubstrat för kolhydrater, protein och fett, där metanpotentialen bestämdes. Dessutom genomfördes en karakterisering av avloppsvattnet för att bestämma andelen kolhydrater, protein och fett. För de satsvisa försöken utvärderades hastigheten för biogasproduktion för att granska skillnaderna mellan olika driftstemperaturer, ymper och substrat. De två olika avloppsvattnen utvärderades även med hjälp av företagens egna data för att se eventuella variationer hos avloppsvattnet över året. Utifrån resultaten erhållna i denna studie drogs slutsatsen att det skulle vara möjligt att driva en biogasprocess med avloppsvatten från Skånemejerier och The Absolut Company som substrat även om vissa parametrar bör undersökas vidare. Det visade sig även genom lönsamhetsberäkningar att energiåtervinning är möjlig ifall rötningen sker vid 20 °C istället III för 37 °C. En anpassning av den mesofila ympen till 20 °C visade sig inte vara nödvändig. Ymperna som användes var olika framgångsrika på att röta olika typer av substrat. Hydrolyskonstanterna gav varierande resultat de gav en indikation på hur snabbt nedbrytningen av det organiska materialet skedde. Däremot var de inte den bästa metoden för att avgöra huruvida ett substrat eller en ymp var lämplig att använda för biogasproduktion. Detta då den inte tog hänsyn till mängden producerad biogas. IV Summary In the 1960s wastewater treatment plants in Sweden started producing biogas. One decade later, the oil crisis led to a change in attitude towards biogas. From having been viewed as mainly a byproduct, biogas started to be seen as a possible solution to the oil dependency and the environmental issues, and today Sweden has come a long way in the area. Biogas is the final product of anaerobic digestion of organic materials and it contains primarily methane and carbon dioxide. Biogas is a renewable source of energy that can be used for production of electricity, heat and fuel. The purpose of this thesis was to investigate whether anaerobic digestion of industrial wastewater from the food industry, Skånemejerier and The Absolut Company, at ambient temperature (20 °C) could be a viable option for the companies with regard to energy recovery. Traditionally, anaerobic digestion is operated at temperatures around 35 °C (mesophilic area) or 55 °C (thermophilic area). If large volumes of industrial wastewater with low concentrations of organic material were to be digested at these temperatures very large amounts of energy would be required to heat the water. On the other hand, if the digester could be operated at ambient temperature, the process could, in theory, be much more profitable since no heating of the water is necessary and energy is obtained through biogas production. In order to get a successful digestion process with a high rate of methane production the inoculum needs to be well acclimated to the chosen temperature. Therefore three different inoculum were investigated in this study: - One inoculum from a mesophilic anaerobic digestion process which is operated at 35 °C. - One inoculum from a mesophilic anaerobic digestion process which is operated at 35 °C and adapted to an ambient temperature of 20 °C. - One inoculum with granules from a facility that normally operates at 25-27 °C. Furthermore the composition of the substrate is important in order to meet the nutrient requirement of the microorganisms and to get a biogas with high methane concentration. To fulfill the purpose, Bio Methane Potential (BMP)-tests were performed for the wastewater as well as for reference substrates of protein, carbohydrate and lipids. Also a characterization was performed on the wastewater in order to determine the fractions of protein, carbohydrate and lipid. The BMP-tests were evaluated with regard to the rate of biogas production to examine the differences between different operating temperatures, inoculum and substrates. The two wastewaters were also evaluated using data obtained from the companies in order to see how several important parameters varied over the year. From the results obtained during this work, the conclusion that it would be possible to operate a biogas process with wastewater from Skånemejerier or The Absolut Company as substrate was drawn although some parameters should be examined further. Energy calculations V showed that energy recovery could be possible if the digestion process is operated at 20 °C rather than 37 °C. The adaption of the mesophilic inoculum showed not to be necessary. Furthermore, the different inoculums were successful in digesting different types of substrates. The results of the hydrolysis constant gave varying results. It gave an indication of how fast the substrate was degraded, but it was not the best method for determining whether a substrate/inoculum were suitable for biogas production since it did not take the amount of produced biogas into account. VI Innehållsförteckning 1 Bakgrund ................................................................................................................................. 1 2 Syfte ......................................................................................................................................... 3 3 4 5 2.1 Genomförande .................................................................................................................. 3 2.2 Avgränsning ..................................................................................................................... 3 Biogasproduktion .................................................................................................................... 5 3.1 De olika stegen i rötningsprocessen ............................................................................... 5 3.2 Substrat till biogasproduktion ....................................................................................... 10 3.3 Faktorer som påverkar rötningen .................................................................................. 13 3.4 Toxiska/inhiberande ämnen .......................................................................................... 16 3.5 Störningar i processen ................................................................................................... 17 3.6 Satsvisa utrötningsförsök .............................................................................................. 17 3.7 Hastighet för biogasprocessen - hydrolyskonstanten .................................................. 18 Metodbeskrivningar .............................................................................................................. 23 4.1 Skånemejeriers och The Absolut Companys avloppsvatten ....................................... 23 4.2 Karaktärisering av industriavloppsvatten ..................................................................... 25 4.3 Analys av TS och VS..................................................................................................... 29 4.4 Beräkning av teoretisk biogasproduktion ..................................................................... 30 4.5 Försöksuppställning för de satsvisa utrötningsförsöken.............................................. 31 4.6 Bestämning av hydrolyskonstanten .............................................................................. 35 4.7 Lönsamhetsberäkningsekvationer ................................................................................. 36 Resultat och diskussion ........................................................................................................ 39 5.1 Resultatet av dataanalysen av Skånemejeriers och The Absolut Companys avloppsvatten ............................................................................................................................. 39 5.2 Resultat av karaktäriseringen av industriavloppsvatten .............................................. 48 5.3 COD/Sulfat-ratio ............................................................................................................ 53 5.4 Resultat från de satsvisa utrötnings försöken ............................................................... 53 5.5 Resultat för hydrolyskonstanten ................................................................................... 62 5.6 Lönsamhetsberäkningar angående etablering av rötningsprocesser vid Skånemejerier och The Absolut Company ....................................................................................................... 67 6 Slutsatser ............................................................................................................................... 73 7 Rekommendationer till företagen ........................................................................................ 75 7.1 Rekommendation till Skånemejerier ............................................................................ 75 7.2 Rekommendation till The Absolut Company .............................................................. 76 VII 8 Framtida studier .................................................................................................................... 79 9 Referenser.............................................................................................................................. 81 VIII 1 Bakgrund Sveriges avloppsreningsverk började under 1960-talet producera biogas. Ett decennium senare ledde oljekriserna till att inställningen till biogas ändrades och blev mer positiv. Från att ha setts endast som en restprodukt för att reducera slamvolymerna på avloppsreningsverken blev biogasen nu en möjlig lösning på oljeberoendet och miljöproblemen vilket ledde till att mer pengar satsades på forskning och utveckling. Idag har Sverige kommit långt när det gäller biogas, år 2012 producerades biogas på 242 anläggningar till ett energivärde på runt 1,6 TWh (Biogasportalen, 2011). Biogas är slutprodukten av rötning, anaerob biologisk nedbrytning, av organiskt material. Den producerade biogasen består till största del av metan och koldioxid och är en förnyelsebar energikälla som kan användas till att producera elektricitet, värme och bränsle. Att biogas är en förnybar energikälla gör att koldioxiden som bildas när biogas förbränns inte bidrar till växthuseffekten. Rötningsprocessen utnyttjas ofta vid vattenrening då de närvarande mikroorganismerna bryter ned de stora organiska molekylerna som återfinns i avloppsslam exempelvis kolhydrater, protein och fett till biogas genom flera steg. För att reglera utsläppnivåer av ämnen i avloppsvatten har Naturvårdsverket fått i uppdrag av regeringen att ta fram ett svenskt utsläppsregister grundat på Århuskonventionen (Naturvårdsverket, 2009). Värdena avser bland annat vilka koncentrationer av biokemisk syreförbrukning, BOD (Biochemical Oxygen Demand) och kemisk syreförbrukning, COD (Chemical Oxygen Demand), som är tillåtna att släppa ut i miljön. Både BOD- och CODhalten kan ge ett mått på vattnets kvalitet och dess renhet eftersom höga koncentrationer kan leda till syrebrist i våra sjöar och hav (Naturvårdsverket, 2010). Denna studie kommer fokusera på möjligheten att röta industriellt avloppsvatten från livsmedelsindustrin till biogas. Traditionellt drivs en rötningsprocess vid temperaturer runt 35 °C (mesofilt) eller 55 °C (termofilt) men denna studie kommer undersöka rötning vid en ambient temperatur (omgivande temperatur) som antas vara 20 °C. Biogasprocessen är en komplicerad process där flera olika grupper av mikroorganismer behöver trivas för att erhålla en hög biogasproduktion med så högt metaninnehåll som möjligt (Jarvis & Schnürer, 2009). Det krävs att ympen (mikroorganismerna) är väl acklimatiserad till den valda temperaturen för att inte metanproduktionshastigheten ska bli för låg. Sammansättningen av substratet är viktig för att uppfylla mikroorganismernas näringskrav samt för att generera en biogas med hög metanhalt (Carlsson & Schnürer, 2011). För en väl fungerande biogasprocess med så hög metanproduktion som möjligt krävs alltså att mikroorganismernas näringskrav och miljökrav är uppfyllda. Tidigare har det inte varit ekonomiskt hållbart att röta avloppsvattnet eftersom den höga rötningstemperaturen medför att vattnet först måste värmas vilket är energikrävande. Då tunna avloppsvatten inte producerar tillräckligt med gas för att täcka uppvärmningen resulterar detta i en icke lönsam process. Ny forskning och nya tekniska framsteg som till exempel membranbioreaktorn öppnar nu möjligheter för att producera biogas vid en lägre temperatur. Rötning vid ambient temperatur väcker dock problem, exempelvis genom att 1 aktiviteten hos enzymerna som är aktiva under första steget i rötningsprocessen (hydrolysen) minskar med minskad temperatur (Donoso-Bravo et al., 2009). När lågtemperaturrötning utreds är därav hydrolyshastigheten en viktig parameter att undersöka för att få en indikation på hur snabbt substratet kan brytas ner. På grund av de strikta föreskrifter som finns på utsläppnivåer skulle det kunna gynna företag från livsmedelsindustrin att minska de höga halterna av organiskt material i avloppsvattnet genom avloppsvattenrening med biogasproduktion. Om rötningen dessutom kan drivas vid en ambient temperatur kan processen i teorin bli mycket mer ekonomiskt lönsam då företagen inte behöver lägga energi på uppvärmning av avloppsvattnet och erhåller energi genom biogasproduktion. 2 2 Syfte Syftet med examensarbetet var att utvärdera lämpligheten för biogasproduktion av industriellt avloppsvatten med avseende på potentiell energiåtervinning genom rötning vid ambient temperatur. - För att utvärdera lämpligheten för biogasproduktion utfördes satsvisa utrötningsförsök med syftet att avgöra potentialen hos olika ymper och substrat. - Hydrolyskonstanten beräknades för att utvärdera hastigheten för biogasproduktionen. Förutom att utvärdera hastigheten var syftet även att ge en bedömning huruvida hydrolyskonstanten är en bra parameter för att bedöma lämplighet för biogasproduktion hos ymper och substrat. - Två karaktäriseringsmetoder utvärderades för att avgöra om det finns indikationer på att någon av metoderna var mer tillförlitlig. I fall antydningar av detta slag finns, syftar examensarbetet till att ge en rekommendation på att den karaktäriseringsmetoden används i framtida försök. Examensarbetet syftar till att i slutändan ge en rekommendation till de medverkande företagen från livsmedelsbranschen huruvida en fortsatt utredning av en potentiell biogasanläggning är aktuellt. 2.1 Genomförande Två olika avloppsvatten från industrier inom livsmedelsbranschen; Skånemejerier och The Absolut Company karaktäriserades med avseende på andel fett, proteiner och kolhydrater för att undersöka substratets biogasutbyte samt utvärderades med hjälp av företagens egna data för att se eventuella variationer hos avloppsvattnet över året. Avloppsvattnens lämplighet för biogasproduktion analyserades både teoretiskt och genom att det genomfördes laborativa satsvisa biogas-försök. Till de laborativa försöken anpassades en ymp från en mesofil anaerob rötningsprocess som drivs vid 35 °C till en ambient temperatur på 20 °C. Den anpassade ympen jämfördes dels med icke anpassad ymp och dels med en ymp från en anläggning som drivs vid 25-27 °C för att se hur bra anpassningen lyckades. För de satsvisa försöken utvärderades hastigheten för biogasproduktionen för att granska skillnaderna mellan olika driftstemperaturer, ymper och substrat. 2.2 Avgränsning Examensarbetet avgränsas i den mån att det inte kommer att kunna ge statistiskt säkerställda värden för de satsvisa försöken eller för karaktäriseringen av andelar kolhydrater, fett och protein i det industriella avloppsvattnet. Det går inte att få fram statistiskt säkerställda värden på grund av att antalet försök som genomförs är begränsande. 3 4 3 Biogasproduktion Biogas är den produkt som bildas då organiskt material bryts ned av mikroorganismer under anaeroba förhållanden. Biogas består framförallt av metan (CH4) och koldioxid (CO2 ) samt en mindre mängd ammoniakgas, kvävgas, vätesulfidgas och vattenånga. Metan utgör mellan 4070 % av gasen beroende på vilket substrat som används (Abbasi et al., 2012). Rötningen sker av flera olika grupper av mikroorganismer där samspelet mellan grupperna är oerhört viktigt. Dessa mikroorganismer kan använda en mängd olika substrat till att producera biogas där slam från kommunala avloppsreningsverk är det vanligaste substratet i Sverige i dag. Exempel på andra substrat är; slakteriavfall, avfall från livs- och fodermedelsindustri, matavfall, gödsel, industriavfall och industriavloppsvatten (Jarvis & Schnürer, 2009; Abbasi et al., 2012). Den producerade biogasen är en förnyelsebar energikälla som kan användas till att producera elektricitet, värme, bränsle och som ett alternativ till naturgas. Då den används som bränsle krävs det dock att gasen uppgraderas, vilket innebär att koldioxid och övriga förorenande gaser avskiljs för att uppnå en metankoncentration på 95-99 % (Lantz, 2013). I detta kapitel kommer faktorer som påverkar biogasproduktionen beskrivas mer ingående. 3.1 De olika stegen i rötningsprocessen Biogas bildas genom rötning då stora organiska molekyler som socker, protein och fett bryts ner till framförallt koldioxid och metan (van Lier et al., 2008). Rötningen sker av flera olika grupper av mikroorganismer som använder varandras nedbrytningsprodukter som substrat i efterföljande steg vilket gör samspellet mellan dem oerhört viktigt. Mikroorganismerna är från domänerna Bacteria och Archaea och nedbrytningen brukar delas in i fyra steg; hydrolys, acidogenes, acetogenes och metanogenes. En sammanfattning av de fyra stegen visas i figur 3.1 (Jonstrup et al., 2011; Jarvis & Schnürer, 2009). 5 Komplext organiskt material Hydrolys Acidogenes Acetogenes Metanogenes Figur 3.1 De olika stegen i rötningsprocessen. Hydrolysen, acidogenesen, acetogenesen, metanogenesen samt en alternativ metanbildningsväg (mellan Acetat och Vätgas,Koldioxid). Bilden är återskapad från Gujer, W. & Zehnder, A. J. B., (1983). ‘Conversion processes in anaerobic digestion’, med tillstånd från upphovsrättinnehavarna, IWA Publishing. 3.1.1 Steg 1. Hydrolys I det första steget bryts kolhydrater, protein och fett i det organiska materialet ned till mindre organiska ämnen som till exempel enkla sockerarter, aminosyror, fettsyror och en del alkoholer. Eftersom kolhydrater-, protein- och fettmolekyler är för stora för mikroorganismerna att ta upp direkt genom cellmembranet via endocytos, aktiv transport eller diffusion sker spjälkning med hjälp av extracellulära enzymer som utsöndras av mikroorganismerna (Jarvis & Schnürer, 2009; Jonstrup et al., 2011). En sammanfattning av enzymerna, deras substrat och nedbrytningsprodukter kan ses i tabell 3.1. 6 Tabell 3.1 Enzymer i hydrolyssteget, deras substrat och nedbrytningsprodukter. Tabellen är återskapad från Jarvis och Schnürer (2009). ‘Mikrobiologisk handbok för biogasanläggningar’, Rapport SGC 207, med tillstånd från upphovsrättinnehavarna. Enzymer Proteas Cellulas Hemicellulas Substrat Proteiner Cellulosa Hemicellulosa Amylas Lipas Pektinas Stärkelse Fetter Pektin Nedbrytningsprodukter Aminosyror Cellobios och glukos Socker, till exempel glukos, xylos, mannos och arabinos Glukos Fettsyror och glycerol Socker, till exempel galaktos och arabinos, samt polygalakturonsyra En del mikroorganismer har förmågan att utsöndra flera olika typer av enzymer som kan bryta ner diverse organiska material, medan andra mikroorganismer är mer specialiserade och endast utsöndrar enzymer som bryter ner exempelvis socker eller proteiner (Jarvis & Schnürer, 2009). De mikroorganismer som utsöndrar enzymer för hydrolys är till största del obligata eller fakultativa anaerober (Jonstrup et al., 2011). Hastigheten hos hydrolyssteget beror på sammansättningen hos substratet men hydrolyssteget anses ofta vara det hastighetsbestämmande steget under rötningsprocessen vid låga temperaturer. För processer vid låga temperaturer är det därför extra viktigt att undersöka hydrolyshastigheten (van Lier et al., 2008). Att hydrolyshastigheten påverkas av temperaturen beror på att hydrolyssteget består av enzymkatalyserade reaktioner och att enzymernas aktivitet är starkt temperaturberoende (Donoso-Bravo et al., 2009). Hydrolys av kolhydrater Kolhydrater är ett samlingsnamn för monosackarider och polysackarider. Under rötningsprocessen är det polysackariderna som hydrolyseras. Jarvis och Schnürer (2009) tar upp några vanliga polysackarider i biogassammanhang, vilka är stärkelse, cellulosa, hemicellulosa, pektin och glykogen. Av dessa konstaterar de att cellulosa är den allra vanligaste i substrat för biogas vilket är bra då cellulosa är lätt att bryta ner jämfört med de andra. De mikroorganismer som utsöndrar enzymer som bryter ned polysackariderna kallas för sackarolytiska och de kan vara från olika grupper som till exempel släktena Bacteriodes, Clostridium och Acetivibrio (Jarvis & Schnürer, 2009). Hydrolys av proteiner och peptider Proteiner och peptider består av långa kedjor av aminosyror och finns till stor del i animalieprodukter. Proteiner kan även innehålla andra grupper vilket till exempel glykoproteiner och lipoproteiner gör. Hydrolys av glykoproteiner resulterar, utöver aminosyror, också i olika kolhydrater. De mikroorganismer som bryter ned proteiner till aminosyror kallas för proteolytiska och tillhör bland annat släktena Clostridium, Peptostreptococcus och Bifidbacterium (Jarvis & Schnürer, 2009). 7 Hydrolys av fett Fetter är uppbyggda av framförallt av triglycerider som bryts ner till glycerol, korta fettsyror och långa fettsyror (long chain fatty acids, LCFA, fler än 18 kolatomer). De mikroorganismer som producerar enzymer för att hydrolysera fett är oftast aeroba eller fakultativt aeroba, de strikt anaeroba är mer sällsynta men släktet Clostridium är ett exempel (Jarvis & Schnürer, 2009). Vid hydrolys av fett bildas långkedjade fettsyror (LCFA) (van Lier et al., 2008) och glycerol. Glycerol omvandlas snabbt till biogas medan den fortsatta nedbrytningen av LCFA är något mer komplicerad (Jarvis & Schnürer, 2009). 3.1.2 Steg 2. Acidogenes I det andra steget används nedbrytningsprodukterna från det tidigare steget, hydrolysen, till exempel enkla sockerarter, aminosyror och alkoholer, som substrat till de fermenterande eller anaerobt oxiderande mikroorganismerna, så kallade acidogener. Detta är enligt Jarvis & Schnürer (2009) oftast det snabbaste av de fyra stegen. Jarvis & Schnürer (2009) menar att fettsyror och aromatiska strukturer från steg ett inte kan användas av de fermenterande mikroorganismerna utan används istället först i acetogenesen. Acidogenerna omvandlar nedbrytningsprodukterna från hydrolysen, genom olika fermentationsreaktioner, till olika organiska syror som till exempel ättiksyra, propionsyra, smörsyra, succinsyra, mjölksyra med flera. De bildade organiska syrorna är svaga syror vilket innebär att de står i jämvikt mellan sin laddade form och sin oladdade form. I en biogasprocess är pH-värdet vanligtvis runt sju och då finns syrorna framför allt i sin laddade form (anjon). Ekvation 1 visar hur ättiksyra står i jämnvikt med sin anjon, acetat (Jarvis & Schnürer, 2009). (1) Även alkoholer och ammoniak bildas under acidogenesen men de huvudsakliga produkterna är acetat, koldioxid och vätgas (Jonstrup et al., 2011). Jarvis & Schnürer (2009) menar att vilka fermentationsprodukter som bildas beror till stor del på vilken typ av substrat som används, omgivningsförhållanden, samt vilka mikroorganismer som är aktiva. Dessutom kan närvaro av andra mikroorganismer och ändrade omgivningsfaktorer få en mikroorganism att ändra sitt fermentationsmönster (Jarvis & Schnürer, 2009). Exempelvis beror nedbrytningen av sukros på vätgaskoncentrationen i reaktorn. Vid en låg vätgaskoncentration bildas framförallt acetat, men om vätgasen ej förbrukas kontinuerligt utan istället ackumuleras bildas produkter som till exempel smörsyra och propionsyra (van Lier et al., 2008). Under acidogenesen är många olika mikroorganismer aktiva, fler än i de andra stegen och många är även samma som de som var aktiva under hydrolyssteget. Några släkten som tillkommer under fermentationssteget är till exempel Enterobacterium, Acetobacterium och Eubacterium (Jarvis & Schnürer, 2009). 3.1.3 Steg 3. Acetogenes I steg tre bryts de bildade fermentationsprodukterna samt fettsyrorna ner till vätgas, acetat och koldioxid genom anaeroba oxidationer. För att de anaeroba oxidationerna, acetogenesen, i steg tre ska kunna ske krävs ett tätt samarbete mellan de organismer som utför oxidationerna, så kallade acetogener, och de metanbildande organismer som är aktiva under nästkommande steg, steg fyra (Jarvis & Schnürer, 2009; Jonstrup et al., 2011). 8 Acetogena bakterier är obligat H2 -producerande (van Lier et al., 2008). Under acetogenesen används protoner som elektronacceptor. I och med detta produceras hela tiden vätgas men på grund av termodynamiska begränsningar inhiberas de anaeroba oxidationerna av ökande partialtryck av vätgas (Gujer & Zehnder, 1983). Om den bildade vätgasen inte kontinuerligt plockas bort av metanogenerna som använder vätgasen för metanproduktionen kommer acetogenesen att avstanna. Detta är anledningen till att det komplexa samarbetet mellan acetogener och metanogener är så viktigt. Samarbetet mellan organismerna kallas för syntrofi som betyder ”äta tillsammans” vilket väl beskriver beroendeförhållandet mellan de vätgasproducerande acetogenerna och de vätgaskonsumerande metanogenerna (Jarvis & Schnürer, 2009; Jonstrup et al., 2011). Många av de syntrofa vätgasbildarna, dock inte alla, har förmågan att byta till alternativa nedbrytningsvägar i frånvaro av en vätgaskonsumerande organism. De alternativa nedbrytningsvägarna leder inte till vätgasproduktion utan istället produceras ofta alkoholer och olika fettsyror varav de senare kan ställa till med problem för biogasprocessen (Jarvis & Schnürer, 2009). Acetogener tillväxer oftast långsamt och bildar utöver vätgas och koldioxid också acetat som huvudsaklig nedbrytningsprodukt (Jonstrup et al., 2011). Syntrophomonas, Syntrophus, Clostridium och Syntrobacter är exempel på släkten där det finns många organismer som kan utföra olika anaeroba oxidationer i syntrofi med en vätgasutnyttjande organism (Jarvis & Schnürer, 2009). 3.1.4 Steg 4. Metanogenes I sista steget bildas biogas det vill säga metan och koldioxid. Metanbildningen sker av olika metanbildande mikroorganismer, metanogener. Deras huvudsakliga substrat är den vätgas, koldioxid och acetat som erhålls i steg två och tre, men även andra substrat exempelvis metylaminer, vissa alkoholer och format kan utnyttjas av metanogenerna (Jarvis & Schnürer, 2009; Jonstrup et al., 2011). Mikroorganismer som är aktiva i metanbildningen kommer precis som i övriga steg i biogasprocessen från flera olika grupper av mikroorganismer. Det som är mest utmärkande för metanogenerna är att de tillhör en annan grupp av prokaryota mikroorganismer nämligen arkaea, till skillnad från biogasprocessens övriga organismer som är bakterier (Jarvis & Schnürer, 2009; Jonstrup et al., 2011). En stor grupp av metanbildare är de acetotrofa metanogenerna. De använder acetat som substrat och är oftast de mest dominerande bland metanbildarna då acetat är källan till cirka 70 % av den biogas som bildas i en rötkammare (Jarvis & Schnürer, 2009; Jonstrup et al., 2011). De acetotrofa metanogenerna, eller acetatklyvande metanogener som de också kallas, klyver substratet acetat (två kolatomer) i två delar. Det ena kolet används sedan för att bilda metan medan det andra kolet används till koldioxid. De två mest förekommande acetotrofa metanogenerna är Methanosaeta och Methanosarcina (Jarvis & Schnürer, 2009). En annan grupp av metanogener är hydrogenotroferna som använder vätgas och koldioxid som huvudsakligt substrat för metanproduktion. Denna väg är mer enegrikrävande än 9 metanbildningen från acetat (Jonstrup et al., 2011). Det finns ett flertal olika grupper av hydrogenotrofa metanogener till exempel Methanobacterium, Methanococcus, Methanogenium och Methanobrevibacter (Jarvis & Schnürer, 2009). Att metanogenerna är arkéer innebär enligt Jarvis & Schnürer (2009) att de inte är lika robusta som många av de andra mikroorganismerna i biogasprocessen. Detta i sin tur gör att de påverkas tidigast av olika störningar som till exempel pH-förändringar eller närvaro av toxiska ämnen (Jarvis & Schnürer, 2009). De hydrogenotrofa metanogenerna har dock visat sig klara miljöförändringar bättre än de acetotrofa metanogenerna (Jonstrup et al., 2011). Eftersom metanogenerna är viktiga även för att acetogenesen ska fungera så kan en hämning av metanogenerna orsaka svåra konsekvenser för hela biogasprocessen. Att metanogenerna trivs är oerhört viktigt eftersom de generellt växer mycket långsamt (Jarvis & Schnürer, 2009; Jonstrup et al., 2011). Generationstiden för metanogenerna ligger mellan 1-12 dagar där Methanosaeta är de metanogener som växer långsammast (Jarvis & Schnürer, 2009). Det finns även studier av generationstiden som visar att de hydrogenotroferna metanogenerna kan som kortast ha en generationstid på 6 timmar medan de acetotrofa metanogenerna har en generationstid på minimum 2,6 dagar (Hassan & Nelson, 2012; Jonstrup et al., 2011). Andra generationstider som har föreslagits för metanogener i avloppsvatten är mellan 3 dagar vid 35 °C till 50 dagar vid 10 °C (Bitton, 2011). 3.1.5 En alternativ metanbildningsväg, Syntrof acetatoxidation Under denna alternativa metanbildningsväg oxideras acetat, av en icke metanbildande bakterie, till vätgas och koldioxid, istället för att biogasen bildas direkt från acetat av en acetotrof metanogen. En hydrogenotrof metanbildare kan sedan bilda biogas från vätgasen och koldioxiden på samma sätt som i steg fyra. Samarbetet mellan de olika organismgrupperna i den alternativa metanbildningsvägen kallas för syntrof acetatoxidation (SAO). Att acetaten först måste brytas ner gör att biogasproduktionen går långsammare då SAO-vägen utnyttjas (Jarvis & Schnürer, 2009). Det är ännu oklart hur vanligt förekommande och hur viktig den här alternativa nedbrytningsvägen är. Hittills har den bara påvisats på ett fåtal platser, däribland några danska anläggningar för biogas och en svensk samrötningsanläggning (Jarvis & Schnürer, 2009). 3.2 Substrat till biogasproduktion Substratet är mikroorganismernas näringskälla och dess sammansättning är därför viktig för en väl fungerande biogasprocess (Jarvis & Schnürer, 2009). För att rötningsprocessen ska fungera bra är det viktigt att mikroorganismerna, förutom organiskt material, även har tillgång till näringsämnen, framförallt kväve och fosfor men också olika spårämnen (Jonstrup et al., 2011). Ett sätt att bedöma ett substrats lämplighet är genom COD:N:P förhållandet (chemical oxygen demand:kväve:fosfor). En tumregel som bör uppfyllas för att uppnå rätt förhållande mellan dessa ämnen är att COD:N:P förhållandet är 250:5:1 (Jonstrup et al., 2011). Substratet kan ha en mängd olika källor men gemensamt för alla substrat är att de kan innehålla kolhydrater, protein och fett i olika förhållanden. 10 Kolhydrater är ett samlingsnamn för monosackarider och polysackarider där polysackarider är uppbyggda av antingen raka eller grenade kedjor av monosackarider bundna med glykosidbindningar. Jarvis & Schnürer (2009) beskriver att de kolhydrater som är vanligast i avloppsvatten är stärkelse, cellulosa, hemicellulosa och pektin. Cellulosa, hemicellulosa och stärkelse finns i växtmaterial som till exempel frukt, spannmål, grönsaker och rotfrukter. Glykogen finns i cellerna hos djur där det fungerar som sockerreserv. Pektin finns i frukt, dess sammansättning är dock komplicerad och skiljer sig mellan olika frukter och varierar med mognadsgraden. Vid val av substrat är det viktigt att ha i åtanke att mono- och disackarider snabbt bryts ner vilket kan leda till instabilitetsproblem på grund av ansamling av fettsyror (Jarvis & Schnürer, 2009). För att få en bra stabilitet i biogasprocessen bör därför substrat med lättnedbrytbara kolhydrater blandas med ett annat substrat som innehåller mer svårnedbrytbara kolhydrater (Jarvis & Schnürer, 2009). Proteiner och peptider består av långa kedjor av aminosyror men kan även ha andra grupper bundna till sig, vilket till exempel glykoproteiner och lipoproteiner har. Alla aminosyror innehåller amingrupper (NH 2) och när proteiner bryts ner omvandlas dessa till ammoniak (NH3) eller ammonium (NH4+). Ammoniak är hämmande och till och med avdödande för många mikroorganismer (Jarvis & Schnürer, 2009). Sanders (2001) beskriver att proteiner delas in i två huvudgrupper; globulära- och fiberproteiner. De globulära proteinerna är sfäriska, kolloida och vattenlösliga, känsliga för förändringar i temperatur och pH och relativt lätta att hydrolysera. Fiberproteinerna däremot har en långsmal, utsträckt form och är olösliga i vatten och stabila vid ändrad temperatur och pH (Sanders, 2001). Fettet består framförallt av triglycerider som bryts ner till glycerol, korta fettsyror och långa fettsyror (Jarvis & Schnürer, 2009). De vanligaste triglyceriderna i avloppsvatten är myrsyra (C14:0), palmetinsyra (C16:0), stearinsyra (C18:0), oljesyra (C18:1) och linolsyra (C18:2) (Sanders, 2001). Eftersom fett inte är vattenlösligt kommer fettmolekylerna (lipiderna) vilja binda till partiklar i substratet (Sanders, 2001). Ansamling av fettsyror kan leda till problem i form av minskad alkalinitet och skumning (Jarvis & Schnürer, 2009). Sammansättningen på substratet kommer att avgöra dess metanpotential. Den teoretiska metanpotentialen kan bestämmas utifrån substratets andel av de olika beståndsdelarna kolhydrater, protein och fett (Jarvis & Schnürer, 2009). Utifrån standardsammansättning på substraten (Angelidaki & Sanders, 2004) kan de teoretiska värdena för metanpotentialen för kolhydrat, protein och fett beräknas enligt Buswells ekvation som beskrivs närmare i kapitel 4 i avsnitt 4.4.1. De teoretiska metanpotentialerna kan ses i tabell 3.2. Tabell 3.2 Teoretiskt metanutbyte i enheten Nl CH 4/g VS, där N står för att metanvolymen är normaliserad till standardtemperatur och tryck för en karaktäristisk sammansättning av kolhydrat, protein och fett. Metanutbytena är beräknade enligt Buswells Ekvation. Substrat Kolhydrat Protein* Fett Sammansättning (C6H10O5)n C5H7NO2 C57H104O6 *Kväve omvandlas till NH3 och ej metan. 11 Metanutbyte (Nl CH4/kg VS) 415 496 1014 3.2.1 Avloppsvatten från mejeri Avloppsvatten från mejeriindustrin innehåller enligt Orhon et al. (1993) mycket organiskt material med höga BOD- samt COD-halter på cirka 1000 mg/l respektive 1500 mg/l, vilket gör det till ett lämpligt substrat för biogasproduktion (Orhon et al., 1993). Mejeriavloppsvattnet är naturligt rikt på till största del kolhydrater men innehåller även protein och fett från mjölken (Perle et al., 1995). Den största delen av torrsubstansen (TS) i mejeriavloppsvatten kommer från laktos vilket även ger dess höga COD-halt (Hassan & Nelson, 2012). Enligt Perle et al. (1995) finns det många studier som visar på att det framgångsrikt går att röta laktos (Perle et al., 1995). Hassan & Nelson (2012) beskriver att laktos, precis som alla andra kolhydrater, först måste brytas ner i olika intermediärer innan det omvandlas till biogas. De vanligaste intermediärerna för laktos är acetat, laktat, etanol samt format. Av dessa representerar acetat cirka 70 % vilket är en av anledningarna till att laktos är ett bra substrat för biogasproduktion (Hassan & Nelson, 2012). Eftersom substrat från mejeriindustrin ofta är rikt på kolhydrater samt att laktos är lättnedbrytbart finns risk för ansamling av fettsyror och eftersom kolhydratrika material ofta har en dålig buffrande förmåga kan detta leda till sjunkande pH (Jarvis & Schnürer, 2009). Proteinet i mejeriprodukter finns i form av kaseinmiceller. Perle et al. (1995) menar att mikroorganismerna, om de inte är acklimatiserade, kan ha problem med att bryta ner denna typ av protein vilket resulterar i en ineffektiv biogasprocess. Dessutom kan det finnas en risk att de långa fettsyrorna från mjölkfettet har en inhiberande effekt på metanogenesen (Perle et al., 1995). Mjölkfettet representerar vanligen 4-22 % av torrsubstansen i avloppsvatten från mejeriindustrin och består till 97 % av triglycerider (Hassan & Nelson, 2012). Fettrikt material ger också problem med ansamling av fettsyror (Jarvis & Schnürer, 2009). 3.2.2 Avloppsvatten från destilleri Innehållet i destilleriavloppsvattnet varierar dels beroende på vilket råvara som används men också beroende på hur processen ser ut. Enligt Sigge et al. (2008) finns variationer i sammansättningen på avloppsvattnet från ett destilleri både sett under dagen och över året (Sigge et al., 2008). Ett problem med att använda avloppsvatten från spannmålsdestillerier är att de oftast innehåller höga halter av proteiner, vilket ger problem i form av ökad ammoniakhalt samt lipider som kan leda till ansamling av fettsyror, vilket kommer beskrivas närmare i avsnitt 3.5.1 (Jarvis & Schnürer, 2009). Något som talar för rötning av avloppsvatten från destillerier är att de brukar ha ett COD:N:P förhållande på runt 800:5:1, vilket innebär en hög andel COD jämfört med kväve och fosfor. Detta gör att destilleriavloppsvatten lämpar sig mycket bättre för anaerob behandling än för aerob, eftersom stora mängder kväve och fosfor skulle vara tvunget att tillföras vid aerob behandling för att tillgodose bakteriernas näringskrav (Moletta, 2005). Dock kan det innebära viss risk för kvävebrist i systemet då 800:5:1 jämförs med tumregeln på 250:5:1. En restprodukt vid sprittillverkning är drank vilket kan fungera bra som substrat till biogasproduktion. Det finns dock en viss risk med att använda drank som substrat då det vanligtvist är rikt på proteiner vilket kan leda till problem i processen i form av ammoniakinhibering (Jarvis & Schnürer, 2009). En annan risk är att dranken innehåller mycket sulfat då i vissa fall förbehandling av vete sker genom kokning med svavelsyra. Ifall 12 denna typ av förbehandling förekommer kan sulfathalten ha en inhiberande effekt på metanogenerna (Jarvis & Schnürer, 2009). 3.3 Faktorer som påverkar rötningen Biogasprocessen är en känslig process där driftparametrar och substrat måste optimeras för att de olika mikroorganismerna ska trivas och ge maximalt metanutbyte. 3.3.1 Temperatur Temperaturen är enligt Jarvis och Schnürer (2009) en av de viktigaste parametrarna under rötningsprocessen. Eftersom den största delen av energin som bildas under rötningsprocessen lagras i metan är det en mycket liten del som avges som värme. Processen kräver på grund av detta, värmning utifrån för att hållas vid den optimala temperaturen för mikroorganismerna (Jarvis & Schnürer, 2009). Det är i huvudsak två temperaturintervall som används vid anaerob rötning, antingen sker rötningen mesofilt vid en temperatur på 25-40 °C med optimala förhållanden mellan 35-37 °C, eller termofilt mellan 50-60 °C med optimum runt 55 °C (Jarvis & Schnürer, 2009). Termofil drift ger möjlighet till högre organisk belastning (Abbasi et al., 2012) eftersom högre temperatur gör att mikroorganismerna är mer aktiva samt förbättrar masstransport och därmed ger snabbare nedbrytning av materialet (Jonstrup et al., 2011; Jarvis & Schnürer, 2009). Enligt Khanal (2008) dubblas den biologiska aktiviteten då en ökning med 10 °C sker (Khanal, 2008). Däremot är den termofila processen ofta mer instabil och känslig mot störningar och toxiska ämnen (Abbasi et al., 2012). En anledning till detta är att den mesofila rötningen vanligtvis innehåller en bredare mikroorganisk flora och i och med det kan den bättre hantera driftstörningar som exempelvis temperaturförändringar (Jarvis & Schnürer, 2009). Förutom dessa temperaturer är det också möjligt att driva en anaerob rötningsprocess i det psykrofila området med en temperatur på <20 °C (Jonstrup et al., 2011). Enligt Khanal (2008) kan rötning ske inom temperaturområdet 10-45 °C utan större förändringar i mikroflora. Khanal (2008) pekar även på att en effektiv metanproduktion uppnås även vid lägre temperaturer mellan 10-20 °C i kontinuerliga processer såvida COD-koncentrationen är mellan 200-600 mg/l. En förutsättning för att detta ska kunna uppnås i en kontinuerlig process är att mikroorganismerna inte riskerar att spolas ut utan till exempel är immobiliserade (attached growth system) eller i anaeroba membranbioreaktorer, (Khanal, 2008). Bandara et al. (2012) visar att även om det går att driva en rötningsprocess vid lägre temperaturer, resulterar det ofta i låg COD-nedbrytningshastighet samt låg metanproduktionshastighet. De påpekar även att det är viktigt att ta hänsyn till att mängden löst metan i vätskan ökar vid lägre temperaturer. Den lösta metanen resulterar i utsläpp av växthusgaser från den anaeroba behandlingsprocessen samt en förlust av energi, då denna metan vanligtvis inte kan återvinnas till gasform (Bandara et al., 2012). På grund av metanbildarnas långsamma tillväxthastighet i relation till exempelvis acidogenerna är de mycket känsliga för temperaturstörningar. Temperaturen bör därför hållas 13 på ett konstant värde (+/- 0,5°C) för att hålla en god metanproduktion (Jarvis & Schnürer, 2009). 3.3.2 pH och alkalinitet Rötningsprocessen involverar flera olika grupper av mikroorganismer och dessa har i sin tur olika värden på optimalt pH för maximal tillväxt. Optimalt pH varierar mellan cirka 6 för acidogener (Jonstrup et al., 2011) och upp till 7-8.5 för metanogener och acetogener (Jarvis & Schnürer, 2009). För att båda typerna av mikroorganismerna ska trivas är det optimalt att driva rötningsprocessen vid neutralt pH, runt 7 (Khanal, 2008). I samband med nedbrytningen av organiskt material produceras organiska syror av acidogena bakterier. Buffertkapaciteten i reaktorn är därför en viktig parameter för att undvika sänkning av pH och därmed inhibering av metanproduktionen (Abbasi et al., 2012). Ett sätt att bestämma buffertkapaciteten hos en process är genom mätning av alkaliniteten, vilken representerar den mängd basiska ämnen med förmåga att buffra processen som finns närvarande. Ett högre värde på alkaliniteten resulterar därmed i ett stabilare pH, i och med detta tillåts en viss obalans i samspelet mellan mikroorganismerna samt en ökning av fettsyror utan att biogasprocessen drabbas i betydande utsträckning. Framförallt är det karbonatjoner som utgör alkaliniteten (Jarvis & Schnürer, 2009) men även vätesulfid, divätefosfat och ammoniak bidrar (Jonstrup et al., 2011). Alkaliniteten indelas normalt i total alkalinitet (TA) som beskriver hur mycket basiska joner det finns totalt och bikarbonatalkalinitet (BA) som endast anger mängden bikarbonatjoner. BA och TA kan bestämmas genom titrering med syra (Jarvis & Schnürer, 2009). 3.3.3 Organisk belastning För att rötning ska kunna ske krävs det organiskt material för mikroorganismerna att bryta ned. Mängden av organiskt material som processen förses med kallas processens organiska belastning. För att kunna välja en rimlig organisk belastning är det nödvändigt att veta hur mycket torrsubstans (total solids, TS) och organisk substans (volatile solids, VS) substratet innehåller, se figur 3.2. Det är det organiska materialet, VS, som mikroorganismerna använder som substrat till biogas. Hur stor belastningen kan vara beror på mikroorganismernas aktivitet och bör därför vara låg då en ny process startas upp och sedan ökas stegvis. Även substratets sammansättning påverkar vilken belastning som kan väljas. Används ett substrat med lättnedbrytbara ämnen, exempelvis mycket socker, är det möjligt att ha högre belastning eftersom mikroorganismerna snabbt kan bryta ned dessa ämnen (dock kan detta orsaka andra problem i processen vilket kommer tas upp senare i 3.5.1) (Jarvis & Schnürer, 2009). 14 Figur 3.2 En schematisk bild av hur TS och VS beror på varandra. Figuren är kopierad från Vahlberg et al. (2013), med tillstånd från upphovsrättinnehavarna. En normal belastning är enligt Jarvis & Schnürer (2009) runt 4-5 kg VS/m3 reaktor per dag för en termofil process och runt 2-3 kg VS/m3 reaktor per dag för en mesofil process (Jarvis & Schnürer, 2009). Däremot rekommenderar Carlsson & Schnürer (2011) en organisk belastning på cirka 0.5-3 kg VS/m3 vätska för substrat innehållande lättnedbrytbara ämnen. Ett substrat som innehåller ämnen som är toxiska för mikroorganismerna i processen kan behöva spädas ytterligare för att undvika inhibering (Carlsson & Schnürer, 2011). När optimal belastning är uppnådd bör den hållas konstant under hela driften (Jarvis & Schnürer, 2009). 3.3.4 Omrörning Enligt Jarvis & Schnürer (2009) är det fördelaktigt att använda sig av någon typ av omrörning under rötningsprocessen; omrörningen förbättrar tillgängligheten av substrat till mikroorganismerna och ger en jämn temperaturfördelning i reaktorn. Jarvis & Schnürer (2009) påpekar även att omrörningen är speciellt viktig för hydrolysen så att de hydrolytiska mikroorganismernas enzymer kan spridas så att de får nära kontakt med de molekyler i substratet som de ska bryta ner. Vidare menar de att omrörning motverkar sedimentering av material och mikroorganismer, minskar risken för skumbildning samt gynnar aggregatbildning. Aggregat innebär att mikroorganismer växer tätt tillsammans i klumpar vilket är bra då det underlättar deras nära samarbete och därmed förbättrar utbytet av vätgas mellan acetogenerna och metanogenerna. Även om omrörningen till största del är positiv för rötningsprocessen är det viktigt att den hålls på en optimerad nivå. För kraftig omrörning kan förstöra aggregaten som bildas mellan mikroorganismerna och därmed försvåra vätgasöverföringen mellan de syntrofiska grupperna (Jarvis & Schnürer, 2009). När metanutbyte- och produktion mättes i omrörd respektive icke omrörd labbskalereaktor för anaerob rötning av Tian et al. (2013), visade det sig att det var lägre metanproduktion i den omrörda tanken trots att de valde en omrörningshastighet som låg i den nedre delen av det rekommenderade området. Även då den aktiva ympen från den icke-omrörda reaktorn byttes till en omrörd och då ympen från den omrörda reaktorn placerades i en icke-omrörd erhölls liknande resultat. Det noterades även att den icke-omrörda rötkammaren innehöll fler olika arter av mikroorganismer (Tian et al., 2013). Carlsson & Schnürer (2011) rekommenderar omrörning för labbskalereaktorer för att få bättre kontakt mellan mikroorganismer och substrat. För satsvisa flaskförsök rekommenderar de att flaskorna skakas för hand cirka 1 gång om dagen (Carlsson & Schnürer, 2011). 15 3.3.5 COD:N:P förhållande och C/N kvot För rötning säger tumregeln att COD:N:P förhållandet bör vara 250:5:1 (Jonstrup et al., 2011). I en studie av Ammary (2004) beskrevs däremot att de två industriella avloppsvatten som behandlades krävde mycket lägre koncentrationer av kväve och fosfor än vad som rekommenderas av tumregeln. För rötning av avloppsvatten från olivkvarnar har studier visat att ett COD:N:P förhållande på 900:5:1,7 kunde uppnå mer än 80 % reduktion av COD. Detta skulle i så fall betyda att även om mängden näringsämnen inte lever upp till tumregeln är det inte säkert att det behöver adderas extra kväve- eller fosforrika ämnen (Ammary, 2004). Ett annat sätt att utvärdera ett substrats lämplighet är att undersöka förhållandet mellan kol och kväve i processen, den så kallade C/N-kvoten. Om denna kvot blir för låg finns det risk för att processen hämmas av ammoniak, och om den blir för hög finns det risk att bakterierna har kvävebrist. En optimal C/N-kvot bör ligga mellan 15 och 25 (Jarvis & Schnürer, 2009). 3.4 Toxiska/inhiberande ämnen Industriella avloppsvatten har stora möjligheter att vara attraktiva substrat till anaeroba rötningsprocesser men på grund av biogasprocessens känslighet är det viktigt att vara medveten om vilka hämmande substanser som kan finnas i substratet. Då inhibering förekommer märks det ofta genom att vissa grupper av mikroorganismer (ofta metanogener) får minskad tillväxthastighet och därmed minskar i population samt att metangasproduktionen avtar (Chen et al., 2008). I vissa fall återhämtar sig mikroorganismerna efter inhiberingen men i extremfall är den toxiska effekten icke reversibel. Ett specifikt ämnes toxicitet kan variera från process till process och beror bland annat på omgivande faktorer som exempelvis temperatur, pH, koncentration med mera. Även förekomsten av andra inhiberande ämnen kan påverka toxiciteten genom så kallad antagonism (att de toxiska ämnena tillsammans ger en lägre inhiberande effekt), synergism (att de toxiska ämnena tillsammans ger en högre inhiberande effekt) eller komplexbildning (de toxiska ämnena binds till varandra eller till andra ämnen). Mikroorganismerna kan i vissa fall acklimatisera sig till en högre koncentration av ett hämmande ämne genom gradvis ökning av koncentrationen (Jarvis & Schnürer, 2009). Det är mycket stor variation i litteraturen angående hur mycket av ett ämne som krävs för att uppnå en toxisk effekt, vilket till stor sannolikhet beror på ovan nämnda faktorerna. Exempel på ämnen som kan verka toxiskt på rötningsprocessen är ammoniak, diverse katjoner, tungmetaller, sulfider, organiska ämnen så som föreningar med bensenring, halogenerade alifatiska kolväten, organiska kväveföreningar, långa fettsyror och ligninämnen (Chen et al., 2008). Även sulfater kan ha negativ inverkan på biogasprocessen då höga sulfatinnehåll gynnar de sulfatreducerande bakterierna. Enligt Jarvis och Schnürer (2009) kan COD/Sulfat-ration användas som en riktlinje vad gäller sulfatinhibering. Med en COD/Sulfat-ratio på över 2,7 kommer metanbildarna att vara dominerande men om ration går under 1,7 kommer de sulfatreducerande bakterierna ta över mer vilket kan leda till minskad biogasproduktion (Jarvis & Schnürer, 2009). Ett annat stort problem med högt sulfatinnehåll är de luktproblem som uppstår då svavelväte bildas. 16 3.5 Störningar i processen Det finns diverse orsaker till att biogasprocessen råkar ut för störningar, vilka medför att metanproduktionen hämmas. I detta avsnitt beskrivs några olika anledningar som leder till störningar. 3.5.1 Ansamling av fettsyror Jarvis & Schnürer (2009) tar upp några olika anledningar som kan leda till ansamling av fettsyror, VFA (volatile fatty acids), i en process; - Om processen överbelastas eller om substratet innehåller material som är lättnedbrytbart för mikroorganismerna (exempelvis enkla socker och disackarider), kommer hydrolyssteget och acidogenesen gå fort. Detta kommer ge problem för de inte lika snabba metanogenerna som är viktiga för att acetogenesen ska ske. Resultatet blir en ökad koncentration av fettsyror. - Om hämmande ämnen finns närvarande, eller om temperatur/pH förändras plötsligt, kommer metanbildarna ofta påverkas kraftigast vilket ger ökad koncentration av fettsyror. - Då ett substrat innehåller stor mängd proteiner (låg C/N kvot) finns det risk att koncentrationen ammoniak i processen ökar. Detta på grund av att proteinerna bryts ner till aminosyror och peptider i hydrolysen. När aminosyrorna i sin tur bryts ned bildas ammoniak eller ammonium (beroende på pH). Metanbildarna hämmas först då ammoniakkoncentrationen ökar och denna hämning ger en ansamling av fettsyror. - Även ett fettrikt material kan påverka processen negativt. Då fettet byts ned bildas långa fettsyror vilka har en hämmande effekt på metanogenerna och processen uppvisar då, på samma sätt som i de övriga fallen, en ansamling av VFA. Oavsett vad anledningen är leder ansamling av VFA till minskat pH. Minskat pH kan i sin tur leda att till metanbildningen hämmas, alternativt går mycket långsammare än de andra stegen i rötningsprocessen (Jarvis & Schnürer, 2009). 3.5.2 Låg eller ojämn gasproduktion Det är normalt att gasproduktionen hos en process varierar, men en alltför låg gasproduktion (jämfört med det teoretiska värdet) kan till exempel bero på att materialet består av en stor andel svårnedbrytbara ämnen. Dessutom blir gasproduktionen lägre än vad den borde vara om hämmande ämnen förekommer i substratet eller om för dålig utrötningsgrad uppnås (Jarvis & Schnürer, 2009). Enligt Jarvis & Schnürer (2009) kan temperaturförändringar leda till ojämn gasproduktion. Förändringarna kan bero på problem med de instrument som används för att hålla temperaturen på rätt nivå eller på grund av att vissa material när de bryts ned leder till värmeutveckling. En förändring i temperaturen verkar ofta hämmande på många mikroorganismer, och ger därför en minskad metanproduktion (Jarvis & Schnürer, 2009). 3.6 Satsvisa utrötningsförsök För att kunna utvärdera lämpligheten för biogasproduktion hos industriellt avloppsvatten krävs en metod för att experimentellt avgöra den maximala metanproduktionen. Ett vanligt 17 sätt att utvärdera ett substrats biogaspotential är att genomföra BMP-försök (Bio Methane Potential test) även kallade satsvisa utrötningsförsök. Satsvisa försök görs eftersom de är lättare att genomföra än kontinuerliga försök och satsvisa försök är därför en vanlig metod inom biogasindustrin för att utreda effekten av olika parametrar som påverkar rötningsprocessen. Dessa försök visar hur stor del av det organiska materialet i ett substrat som är nedbrytbart och kan användas till att producera metan (Carlsson & Schnürer, 2011). Under BMP-försök är det viktigt att förhållandena är kontrollerade så att det inte finns något som inhiberar eller begränsar biogasproduktionen samt att ympen hämtas från en anläggning som använder ett komplext substrat så att mikrofloran har hög biodiversitet och är väl balanserad (Smith et al., 2013). Mängden metan som totalt har producerats under försöksperioden anges i enheten Nl CH4/kg VS, där N står för att metanvolymen är normaliserad till standardtemperatur och -tryck (273,15 K och 1 atm) (Carlsson & Schnürer, 2011). 3.6.1 Utrötningsgrad Ett sätt att beskriva hur stor andel av det organiska materialet som har använts som substrat av mikroorganismerna under en viss tid är att ange utrötningsgrad (anges i procentenheter). Enligt Jarvis & Schnürer (2009) är utrötningsgraden oftast högre då rötningen körs satsvis än i kontinuerliga processer. De menar att även om det är teoretiskt möjligt att uppnå en utrötningsgrad på 100 % i en satsvis process är det inte något att eftersträva då det skulle kräva mycket långa rötningstider. Substratets sammansättning har stor inverkan på vilken utrötningsgrad som kan uppnås, lättnedbrytbara substrat uppvisar högre utrötningsgrad (Jarvis & Schnürer, 2009). Utrötningsgraden kan beräknas enligt ekvation 2: (2) 3.7 Hastighet för biogasprocessen - hydrolyskonstanten Hastigheten för biogasproduktionen kan utvärderas med hjälp av hydrolyskonstanten för att granska skillnaderna mellan olika driftstemperaturer, ymper och substrat. Enligt DonosoBravo et al. (2009) anses hydrolyssteget ofta vara det hastighetsbestämande steget för biogasprocessen vid rötning vid låg temperatur. Detta beror på att nedbrytningen i hydrolysen sker med hjälp av enzymer och att aktiviteten för dessa enzymer är temperaturberoende och minskar med minskad temperatur (Donoso-Bravo et al., 2009). Förutom temperaturen påverkas även enzymernas aktivitet av pH. Generellt sätt är enzymaktiviteten högst vid pHvärden mellan 6-8 men vilket som är det optimala pH-värdet skiljer sig mellan olika enzymer. Då rötningstemperaturen och pH hålls konstant, kommer ytan som finns tillgänglig av de partikulära substraten vara den viktigaste parametern för hydrolyshastigheten då det enligt Sanders (2001) anses finnas ett överskott av enzymer (Sanders, 2001). BMP-kurvornas utseende kan beskrivas med hjälp av den totala metanproduktionen, eller , och hydrolyskonstanten, , som beskriver tiden vid vilken halva den totala metanproduktionen uppnåtts (Koch & Drewes, 2014). Hydrolyskonstanten ger värdet på hur 18 fort substratet bryts ner och om hydrolysen antas vara det begränsande steget ger hydrolyskonstanten ett mått på hur fort omvandlingen till biogas sker (Smith et al., 2013). Båda parametrarna, hydrolyskonstanten och den totala metanproduktionen, tas vanligen fram igenom att anpassa data från BMP-försök. Anpassningen kan göras med hjälp av en solver i Microsoft Excel eller med modellen Anaerobic Digestion Model No. 1, ADM1, implementerad i till exempel Matlab (Koch & Drewes, 2014). Det finns ett par olika ekvationer för att bestämma hydrolyskonstanten beskrivna i litteraturen. Den mest kända metoden är utvecklad av Angelidaki et al. (2009) och grundar sig på första ordningens kinetik och återges i ekvation 3 (Angelidaki et al., 2009). För att kunna anta första ordningens kinetik krävs det normal tillväxt av mikroorganismerna, alltså att de inte saknar tillgång på viktiga näringsämnen och att ingen inhibering av mikroorganismerna sker (Koch & Drewes, 2014). (3) När ekvation 3 av Angelidaki et al. (2009) integreras kommer ekvation 4, som beskriver förhållandet mellan mängden nedbrytbart material och metanproduktionen, erhållas. (4) Ekvation 4 kan därefter skrivas om till ekvation 5 som kan användas för att bestämma hydrolyskonstanten och den totala metanproduktionen. (5) Metoden beskriven av Angelidaki et al. (2009) syftar till att bestämma metanpotentialen hos ett fast organiskt material. Eastman och Ferguson (1981) härledde fram ett annat uttryck för att bestämma hydrolyskonstanten, , baserat på att hydrolyskonstanten vid konstant temperatur och vid konstant pH är en första ordningens ekvation se ekvation 6. Ekvation 9 härleds fram genom att ställa upp en massbalans för en kontinuerligt omrörd tank (CSTR) ekvation 7 och 8 (Koch & Drewes, 2014). 19 (6) (7) (8) Uttrycket för hydrolyshastigheten från ekvation 6 används i massbalansen, ekvation 8 för att härleda ekvation 9. (9) I en studie av Koch & Drewers (2014) utvecklas ett uttryck för att enkelt bestämma hydrolyskonstanten, , (ekvation 12). Koch & Drewers (2014) utgår från antagandet att hydrolysen är det hastighetsbestämmande steget samt att all metan som bildas kommer från material som först har hydrolyserats. Från dessa två antaganden härleder de fram ekvation 10 (Koch & Drewes, 2014). (10) Koch & Drewers (2014) utvecklar ekvation 9 vidare och utgår då från antagandet att satsvisa försök i början uppför sig som en (CSTR) med kort uppehållstid och i slutet som en CSTR med lång uppehållstid. En viktig skillnad som görs för de satsvisa försöken är att F0 och F mäts i som i ekvation 9. Om ekvation 10 kombineras med ekvation 9 fås ekvation 11: (11) Hydrolyskonstanten, , och parametrarna ( för substratet kan fås fram från ekvation 11. ( ) som ger ett mått på det maximala utbytet ) uppnås vanligtvis ej i ett satsvist försök 20 och ger därmed inte samma värde som Drewes, 2014). i metoden av Angelidaki et al. (2009) (Koch & Hydrolyskonstanten, , och parametrarna ( ) kan även fås genom att linjärisera ekvation 11, där parametrarna sedan enkelt kan utläsas från lutningen och skärningen av kurvan, se ekvation 12 (Koch & Drewes, 2014). (12) Ett problem som enligt Brown (2000) kan uppstå då linjäriserade ekvationer används är att analysen kan bli inkorrekt då analysen genomförts på transformerad data vilket kan förvränga mätfelet. Han menar att det är bättre att använda en metod där en icke-linjär ekvation kan anpassas till de experimentella datapunkterna. Ett sätt att genomföra detta är att använda iterativ icke-linjär least squares fitting (Brown, 2001). 3.7.1 Literaturvärden på hydrolyskonstanten I en studie av Smith et al. (2013) används två olika metoder för att ta fram hydrolyskonstanten. Den ena är med den linjäriserade ekvationen av Angelidaki et al. (2009), ekvation 4, det andra sättet använder ekvation 5 i parameteranpassningsprogramet, ADM1. I studien används ett Basic Anaerobic Medium enligt Angelidaki et al. (2009), en temperatur på 38 °C och en VS-kvot på ympen på 0,4 samt 0,8. VS-kvoten innebär att 40 % respektive 80 % av det organiska matrialet kommer från ympen. Värdena för hydrolyskonstanten kan ses i tabell 3.3 (Smith et al., 2013). Tabell 3.3 Hydrolyskonstanten bestämd med två olika metoder enligt Smith et al. (2013). Metod Linjäriserade ekvationen av Angelidaki et al. (2009) Parameteranpassnings program, ADM1 VS-kvot 0,4 Kh (d-1) 0,14 VS-kvot 0,8 Kh (d-1) 0,18 0,18±0,04 0,14±0,01 Gavala et al. (2003) har gjort en sammanställning av hydrolyskonstanter. I tabell 3.4 visas ett antal värden på hydrolyskonstanten för olika substrat och temperaturer. 21 Tabell 3.4 Sammanställning av Gavala et al. (2003) på hydrolyskonstanten bestämd med olika substrat vid olika temperatur. Substrat En mix av primär och sekundärslam, satsvist försök Mejeriavloppsvatten med oupplösta proteiner, satsvist försök Mejeriavloppsvatten med oupplösta kolhydrater, satsvist försök Cellulosa, kontinuerligt försök Cellulosa, kontinuerligt försök Protein, sammanställning av flera olika försök Fett, samanställning av flera olika försök Kolhydrater, sammanställning av flera olika försök Uppehållstid (d) - Kh (d-1) 0,077 0,150 Temperatur (°C) 25 35 - 0,24 - - 0,13 - 15 30 60 15 30 60 - 0,13 0,14 0,10 0,27 0,34 0,16 0,015-0,075 20 20 20 25 25 25 - - 0,005-1,7 - - 0,025-0,2 - Utifrån tabell 3.4 som är en mindre litteraturstudie går det att avläsa att en högre temperatur generellt resulterar i en högre hydrolyskonstant. En annan slutsats är att den största variationen finns hos fettrika substrat som påvisat både högst och lägst hydrolyskonstant. Detta indikerar att det är svårt att bestämma hydrolyskonstanten för fett. Mindre skillnader på hydrolyskonstanten syns för kolhydrater och protein. 22 4 Metodbeskrivningar För att utvärdera huruvida avloppsvatten från Skånemejerier och The Absolut Company är lämpliga för att producera biogas genomfördes ett antal olika analyser. I detta kapitel beskrivs; var avloppsvattnet hämtades hos industrierna, vilka data som analyserades från företagen, vilka metoder som användes för att karaktärisera avloppsvattnet, hur biogaspotentialen går att uppskatta teoretiskt, metoden för anpassning av ymp och hur BMPförsöken utfördes samt metoden för hur hydrolyskonstanten togs fram för att utvärdera BMPförsöken. Genom resultaten utifrån dessa metoder kommer en lämplighetsutvärdering kunna göras. 4.1 Skånemejeriers och The Absolut Companys avloppsvatten Avloppsvattnet som hämtades från Skånemejerier kom från en samling av alla mejeriets avloppsdelströmmar, vilka kan ses i processchemat i figur 4.1. Avloppsströmmarna kommer från gränsmjölk från mjölkbehandling och förpackningsstegen samt från diskning av mjölkmottagningstank, separerings-, pastöriserings-, standardiserings- och homogeniseringsutrustning och förpackningsmaskiner. Figur 4.1 Ett blockdiagram över Skånemejeriers avlopp. Alla ”Avlopp” (indikerade med tjock kontur i figuren) samlas ihop till en gemensam avloppsström där provtagning sker. The Absolut Companys avloppsvatten hämtades ur strömmen som går vidare till det kommunala avloppet markerad med en pil i figur 4.2. Detta flöde består av en samling av samtliga delströmmar från exempelvis diskning av processutrustning och fermentatorer, drankåtervinningsutrustning och flöden från uppsamlingsbassänger. 23 Figur 4.2 The Absolut Companys avloppsvattensystem. Provtagningsstationen i nedre vänstra hörnet indikeras med en pil. Från provtagningsstationen går vattnet vidare till det kommunala avloppet. 4.1.1 Analys av data från industrierna Industriernas egna data för flöden, pH, temperatur, kväveinnehåll, fosforinnehåll och COD på avloppsvattnet analyserades för att bedöma lämpligheten för biogasproduktion. Analyserna genomfördes genom att medelvärden och standardavvikelse togs fram för samtliga parametrar förutom pH där median, max- och minvärdet beräknades. Även datapunkterna från företagen uttrycktes i diagram för att se variationen över året och därefter drogs slutsatser utifrån graferna, medelvärdena och standardavvikelserna för de olika parametrarna. De värden som erhölls från Skånemejeriers interna mätningar baserades på dygnsmedelvärden för varje dag i en vecka per månad över ett års tid (år 2013), exempelvis första veckan varje månad. Detta gällde för alla värden förutom temperaturen där värdena var dygnsmedelvärden för varje dag från januari till februari 2014. De värden som erhölls från The Absolut Companys interna mätningar baserades på veckomedelvärden för varje vecka år 2013. Dessutom evaluerades alla externa analysresultat från ackrediterat labb (Eurofins) som analyserar The Absolut Companys avloppsvatten, för varje vecka 2013. För industriavloppsvattnet från Skånemejerier och The Absolut Company togs COD:N:P kvoten fram både med hjälp av data från företagen samt med resultat från Dr Lange test. Den framtagna kvoten jämfördes sedan med tumregeln på 250:5:1 för att utvärdera huruvida det finns tillräckligt med näringsämnen (fosfor och kväve) i vattnet. 24 4.1.2 Hämtning av prover Till de olika analyserna och BMP-försöken hämtades avloppsvatten hos Skånemejerier och The Absolut Company. En sammanfattning av hur proverna togs och hur länge de förvarades innan respektive analys visas i Appendix 5. 4.2 Karaktärisering av industriavloppsvatten Karaktärisering för att bestämma andelen kolhydrater, protein och fett gjordes med hjälp av två olika metoder; modifierad Lowry och Anthrone samt Kleerebezem & van Loosdrecht. Genom att bestämma andelarna kolhydrater, protein och fett kan substratets biogasutbyte uppskattas utifrån litteraturvärden på metanutbytet för respektive andel. Genom att andelarna bestämdes på två olika sätt kan resultaten från de båda karaktäriseringsmetoderna jämföras för att se om det finns indikationer på att någon av metoderna fungerar bättre än den andra. I fall indikationer av detta slag finns, kommer en rekommendation på att den karaktäriseringsmetoden används i framtida försök att ges. 4.2.1 Analys av protein - Lowrymetoden Substratens proteininnehåll analyserades genom att använda den modifierade Lowrymetoden enligt Frølund et al. (1996) med BSA (Bovine Serum Albumin) som standard. Lowrymetoden är en vedertagen metod för att bestämma det totala proteininnehållet i en lösning och den har låg detektionsgräns vilket gör att det går att detektera även låga proteinkoncentrationer (Lowry et al., 1951). På grund av detta borde den fungera bra för avloppsvattnen i den här studien som förmodligen innehåller låga koncentrationer av protein. Metoden är kolorimetrisk och baseras på att ett blåfärgat komplex bildas då de olika proverna innehållande protein blandas med Folinreagensen. Koppar bildar komplex med proteinerna som finns närvarande, den reduceras från Cu 2+ till Cu0 och reducerar i sin tur Folinreagensen vilket ger den blå färgen. Proven mäts sedan i en spektrofotometer, där en ökande mängd proteiner ger en ökad absorbans. Genom att göra en standardkurva där BSA i ökande koncentration används som standard kan mängden protein i substratet beräknas. Metodprotokoll för Lowrymetoden vid VA-teknik på Lunds Tekniska Högskola bifogas i Appendix 1. 4.2.2 Analys av Kolhydrater – Anthronemetoden Substratets kolhydratinnehåll, både poly- och monosackarider, analyserades genom att använda Anthronemetoden som beskrivs av Dubois et al. (1956) och sedan har modifierats av Raunkjær et al. (1994). Detta är en etablerad metod för att undersöka mängden kolhydrater i ett prov (Brooks et al., 1986). Metoden har låg detektionsgräns vilket gör att det går att detektera även för låga koncentrationer och enkelt går att genomföra vilket gör den lämplig att använda i den här studien då avloppsvattnen förmodligen innehåller endast låga koncentrationer av kolhydrater. I Anthronemetoden hydrolyseras kolhydraterna ner till monosackarider genom hydrolys med stark syra vid 100 °C. Metoden är kolorimetrisk då monosackariderna bildar ett komplex med Anthronereagensen vilket gör att lösningen får en grön färg. Färgintensiteten är proportionell mot koncentrationen kolhydrater. Proven mäts sedan i en spektrofotometer där en ökande 25 mängd kolhydrater ger en ökad absorbans. Genom att göra en standardkurva där D(+)-glukos i ökande koncentration används som standard kan mängden kolhydrat i substratet beräknas. Metodprotokoll för Anthronemetoden vid VA-teknik på Lunds Tekniska Högskola bifogas i Appendix 2. 4.2.3 Analys av protein/fett/kolhydrater enligt Kleerebezem & van Loosdrechtmetoden Kleerebezem & van Loosdrecht (2006) beskriver en metod för hur det organiska substratets ungefärliga sammansättning kan bestämmas genom diverse VA-tekniska standardmätningar samt uträkningar (Kleerebezem & van Loosdrecht, 2006). Mätningarna som krävs för detta är: - COD TOC Alk VFA Norg Organiskt kväve, Norg , beräknades ur totalkväve (NTot), Ammoniumkväve (NNH4), kväve i form av nitrat (NNO3) och kväve i form av nitrit (NNO2), genom ekvation 13. (13) COD, TOC och Norg erhölls enkelt med hjälp av fördoserade reagenser (Dr Lange tester) och Alk VFA erhölls genom 5-punktstitreringsmetoden. Dr Lange För att utföra ovan nämnda analyser användes HACH LANGE tester. Dessa är fördoserade reagenser i en tub var till substratet tillsätts enligt anvisningen i förpackningen. Därefter avläses resultatet spektrofotometriskt (HACH LANGE spektrofotometer modell DR 2800). De tester som användes kan avläsas i appendix 3 A. och ett exempel på hur Dr Lange kyvetter kan se ut visas i figur 4.3. Figur 4.3 Dr Lange kyvetter för ett flertal av de analyserade parametrarna. 26 TOC-analysatorn Ett alternativ till Dr Lange för bestämning av TOC-koncentrationen var att analysera proverna i TOC-analysatorn “Total organic carbon analyser TOC-5050A” som är sammankopplad med en automatisk provtagare “Auto Sampler ASI-5000A” båda av märket SHIMADZU. TOCanalysatorn är en gaskromatograf och är förkalibrerad med standardkurvor för TC (total carbon) och IC (inorganic carbon) och genom att mäta koncentrationerna av dessa kan sedan TOC-koncentrationen beräknas enligt ekvation 14. (14) För att inte partiklarna i vattnet skulle sätta igen analysatorns rör filtrerades vattnet innan analysen. Samtidigt mättes COD på både de filtrerade proverna och de ofiltrerade proverna för att få en kvot på hur mycket av materialet som försvann vid filtreringen för respektive avloppsvatten. Dessa kvoter multiplicerades sedan med de erhållna TOC-värdena för att kompensera för materialförlusterna. Ett antagande som gjordes i samband med detta var att förhållandet TOC innan och efter filtrering ändrades på samma sätt som förhållandet COD. Resultaten från TOC-analysatorn som användes i uträkningarna är ett medelvärde från två oberoende mätningar. Fempunktstitrering För att bestämma bikarbonatalkaliniteten och mängden VFA i avloppsvattnet användes fempunktstitreringsmetoden beskriven av Moosbrugger et al. (1992). I metoden beskrivs hur alkaliniteten kan bestämmas genom att mäta initialt-pH samt titrera kända volymer av syra till pH 6.7, 5.9, 5.2 och 4.3. För att genomföra uträkningarna krävs det även att fosfat, ammonium och sulfidkoncentrationerna är kända. Koncentrationerna på dessa och volymerna som krävdes för att nå de förbestämda pH-värdena, matades sedan in i ett datorprogram utvecklat av Moosbrugger et al. (1992) varifrån och erhölls (Moosbrugger et al., 1992). Fempunktstitreringen genomfördes genom att 100 ml av substratet, i omblandad bägare, titrerades med 0,05 M saltsyra med hjälp av en titreringsanordning av märke Bürette Digital Easy calibration till de önskade pH-värdena. pH mättes kontinuerligt med pH-meter med en WRW cond 340i pH-meter. Härledning för bestämning av det organiska substratets sammansättning enligt Kleerebezem & van Loosdrecht-metoden Första steget i Kleerebezem & van Loosdrechts-metod var att ta fram molekylformeln för det organiska materialet. I ett generellt substrat kan denna beskrivas som C xHyO zNvu (kvävets oxidationstal antas vara –III) där koefficienterna x,y,z,v och u skulle bestämmas (Kleerebezem & Van Loosdrecht, 2006). Koefficienten x kunde bestämmas direkt genom antagandet att sammansättningen beskrivs i C-mol, x=1. Kvävets koefficient, v, kunde bestämmas genom resultaten för mätningarna av N org och TOC genom att 27 Laddningen, u, bestämdes genom TOC och resultatet från titreringen, . Vidare ställdes en ekvation av elektronbalansen (ekvation 15) för förbränning av substratet upp i relation till kvoten mellan COD och TOC. (15) En balans för C-valens, som grundas på att kolet har möjlighet att skapa fyra bindningar, ställdes upp enligt ekvation 16. (16) Då dessa två ekvationer kombinerades för att lösa ut koefficienterna y och z erhölls ekvation 17 och 18: (17) (18) Enligt de nämnda ekvationerna kunde den ungefärliga sammansättningen av det organiska substratet bestämmas (Kleerebezem & van Loosdrecht, 2006). Andel av kolhydrater, fett och protein i substratet Genom sammansättningen C xHyO zNv u , med substratets framtagna koefficienter, gick det att, genom vissa antaganden och kända värden, få fram andelen av kolhydrater, fett, proteiner i substratet. De antaganden som gjordes är framförallt att proteinerna, kolhydraterna och fetterna utgörs av en standardmolekyl med en viss sammansättning och att VFA utgörs av acetat. De olika ämnenas sammansättning, oxidationstal (antal elektroner som frigörs per Cmol substrat vid fullständig oxidation), kväveinnehåll och laddning visas i tabell 4.1 (Kleerebezem & van Loosdrecht, 2006). Tabell 4.1 Standardmolekylernas sammansättning, oxidationstal, kväveinnehåll och laddning. Tabellen är återskapad från Kleerebezem & van Loosdrecht (2006), med tillstånd från upphovsrättinnehavarna IWA publishing. Ämne Protein Kolhydrater Fett Acetat Förkortning Sammansättning PR CHO LIP VFA C1H2.52O0.87N0.26 C1H2O1 C1H2.85O0.575 C1H1.5O1-0.5 Oxidations-tal ( )2 (e-mol/c-mol) 4 4 5,68 4 N-innehåll (Nmol/ Cmol) 0,26 0 0 0 Laddning (eq/Cmol) 0 0 0 -0,5 Eftersom protein antas vara den enda molekylen som innehåller kväve kunde dess molfraktion, η PR, bestämmas direkt genom att kväveinnehållet i det organiska substratet (v) och kväveinnehållet i standardproteinet är känt. Uträkningen för molfraktionen visas i ekvation 19. 28 (19) Likaså är VFA det enda ämnet med laddning och därför kunde molfraktionen av VFA, η VFA, bestämmas genom laddningen på det organiska substratet (u) och laddningen på VFA enligt ekvation 20. (20) Andelen fett beräknades genom att använda oxidationstalen för de olika ämnena. Totala oxidationstillståndet kunde fås genom de bestämda COD och TOC-värdena, se ekvation 21. (21) Dessutom kunde det totala oxidationstillståndet beskrivas genom att lägga ihop de olika ämnenas oxidationstillstånd, ekvation 22. (22) Ekvation 22 kunde sedan skrivas om enligt ekvation 23-25 eftersom alla ämnen utom lipiderna har oxidationsstalet 4 och summan av alla molfraktioner blir 1, se ekvation 24. Ekvation 25 lades sedan ihop med ekvation 21 för att få ett uttryck för molfraktionen av fett, ekvation 26. (23) (24) (25) (26) Till slut beräknades molfraktionen av kolhydrater enkelt genom att summan av alla molfraktioner är 1, se ekvation 27. (27) Med denna metod kan molfraktionen för kolhydrater, fett, proteiner och VFA erhållas (Kleerebezem & van Loosdrecht, 2006). 4.3 Analys av TS och VS För att bestämma halten organiskt material i avloppsvattnen analyserades VS. Analysen av VS innefattar vanligtvis två steg (Vahlberg et al., 2013): - Till att börja med bestäms TS genom att torka en känd mängd av substratet i en ugn på 105 °C i cirka 20 timmar. - Därefter bränns den torkade delen av substratet vid 550 °C i två timmar. 29 TS och VS beräknas enligt ekvation 28 och 29 (Vahlberg et al., 2013): (28) (29) Enligt Vahlberg et al. (2013) är det två antaganden som behöver göras för att bestämma TS halten; det bara är vatten som avgår då provet hettas upp samt att det inte sker några reaktioner i samband med upphettningen. Ett problem som uppstår med den här analysen är att flyktiga ämnen till exempel alkoholer och VFA förångas vid upphettningen vilket kommer ge ett felaktigt värde på TS och därmed även VS-halten (Vahlberg et al., 2013). 4.4 Beräkning av teoretisk biogasproduktion För att kunna utvärdera och jämföra de experimentellt uppmätta värdena för biogaspotentialen för Skånemejeriers avloppsvatten och The Absolut Companys avloppsvatten utfördes beräkningar av den teoretiska biogaspotentialen med Buswells ekvation. Referenssubstratens biogaspotential jämfördes med litteraturvärdena i tabell 3.2. Förutom Buswells ekvation beräknades den teoretiska metanpotentialen genom att utgå från hur mycket syre som krävs för att uppnå fullständig oxidation av metan. De teoretiska värdena på biogasproduktionen representerar det maximala värdet som vid ideala förutsättningar skulle gå att uppnå med de undersökta substraten. 4.4.1 Buswellekvationen En metod för beräkning av den teoretiska mängd biogas som kan utvinnas ur ett substrat utvecklades av Buswell (Buswell & Neave, 1930). Om fullständig nedbrytning av substratet till produkterna metan, koldioxid samt ammoniak utan att någon biomassa bildas antas, kan mängden av de olika produkterna beräknas enligt ekvation 30 (Buswell & Neave, 1930). (30) Denna metod var möjlig att använda då substratets sammansättning (C xH yO zNv) bestämdes enligt Kleerebezem & van Loosdrecht-metoden beskriven i 4.2.3. 4.4.2 Teoretisk metanpotential utifrån mängden COD Den teoretiska potentialen beräknades enligt reaktionsformeln i ekvation 31-36. (31) Ekvation 31 visar att molförhållandet mellan metan och syre är 1:2. Detta ger att mängden COD som krävs för att bilda ett gram metan kan beräknas enligt ekvation 32-34. 30 (32) (33) (34) Då COD är hur mycket syre som krävs för att oxidera ett organiskt material kan mängden syrgas antas ekvivalent med mängden COD. Enligt ideala gaslagen kommer en mol av en ideal gas att ta upp en volym på 22,4 liter vid standardtemperatur (273,15 K) och standardtryck (1 atm). Detta ger att en mol metan kommer att ge upphov till 22,4 liter metangas och ett gram metan kommer ge 1,4 liter metangas enligt ekvation 35. (35) Genom att kombinera ekvation 34 och 35 kan den teoretiska volymen metangas per gram COD bestämmas, ekvation 36. (36) 4.5 Försöksuppställning för de satsvisa utrötningsförsöken BMP-försöken är till för att experimentellt utvärdera lämpligheten hos substraten för biogasproduktion. I Hansen et al. (2004) beskrivs en metod för att genomföra BMP-försök och det var denna metod som låg till grund för de två omgångar försök, på vardera cirka fyra veckor, som utfördes i denna studie. De experimentellt uppmätta värdena för biogaspotentialen jämfördes med de teoretiska värdena på biogaspotentialen samt med litteraturvärden för metanutbytet för kolhydrater, protein och fett. Figur 4.4 visar tidsperioderna för avgasning av ymp, BMP-försök samt anpassning av ymp. Aktivitet: v. 7 v. 8 v. 9 v. 10 v. 11 v. 12 v.13 v. 14 v. 15 v. 16 v. 17 v. 18 v. 19 v.20 f l s m t o t f l s m t o t f l s m t o t f l s m t o t f l s m t ot f l s mt o t f l s m - s m - s m - s m - s m - s m - s mt ot f l s Hämta vatten-Absolut 1 Hämta vatten-Skånemejerier 1 Avgasning till BMP-försök 1 BMP-försök 1 Avgasning till anpassning Anpassning av ymp till 20 °C Matning av anpassnings ymp Avgasning till BMP-försök 2 Hämta vatten-Absolut 2 Hämta vatten-Skånemejerier 2 BMP-försök 2 Figur 4.4 Tidsperioderna för hämtning av avloppsvatten, avgasning av ymp, BMP-försök samt anpassning av ymp med matning. 4.5.1 Ymp till de satsvisa utrötningsförsöken I denna studie användes två olika ymper; en granulär ymp från Carlsbergs biogasanläggning i Falkenberg (VIVAB) som drivs vid 20-27 °C och en mesofil ymp från en kontinuerlig process 31 som drivs vid 35 °C. För att uppnå ett maximalt metanutbyte bör en ymp från en anläggning som drivs vid den temperatur som försöken skall genomföras vid användas (Carlsson & Schnürer, 2011). Den granula ympen som normalt drivs vid 25-27 °C ansågs i denna studie vara van vid 20-gradig temperatur. I den första försöksomgången användes endast ymp från Sjölunda reningsverk i Malmö (VA SYD). Detta är rötslam och dess driftstemperatur är 35 °C, men den användes för rötning vid både 37 °C och 20 °C. Under tiden som första försöket pågick anpassades denna ymp till 20 °C. I den andra försöksomgången användes den anpassade ympen samt den granula ympen från Carlsbergs reningsverk (VIVAB). Alla ymper som användes i försöket avgasades först i cirka tre dygn för att ympen skulle bryta ned det substrat som redan fanns tillgängligt, innan de användes för att starta upp BMP-försöken. Ymperna avgasades genom att dunkarna innehållande ymp placerades i värmeskåp med en temperatur motsvarande drifttemperaturen i fullskaleanläggningarna de var hämtade ifrån. 4.5.2 Anpassning av ymp till ambient temperatur Anpassningen skedde genom att ympen från Sjölunda reningsverk fick stå i 4 veckor i 20 °C innan BMP-försöken genomfördes. Under anpassningen användes två stycken 25 liters dunkar med 15 liter ymp i varje. Dunkarna placerades till att börja med i ett värmeskåp på 35 °C för avgasning under fyra dagar. Därefter luftades dunkarna med kvävgas i tio minuter vardera för att få en anaerob miljö och de placerades sedan i varsin back i ett dragskåp, se figur 4.5. Öppningarna täcktes med plastfolie med små hål i och en löst påskruvad kork för att undvika övertryck i dunkarna men även för att bibehålla så anaerob miljö som möjligt. Ympen matades under anpassningsperioden två gånger per vecka med 425 ml primärslam (från Sjölunda reningsverk) per dunk för att uppnå en organisk belastning på 0.2 kg VS/m 3·dag. Efter att primärslammet hällts i skakades dunkarna och ympen luftades sedan med kvävgas i två minuter vardera för att återigen uppnå en anaerob miljö. Innan anpassningens start togs prover för TS, VS och VFA, innan varje matning togs prover för VFA-analys. Figur 4.5 Ympen förvarades under anpassningen i 25 liters dunkar, i backar i dragskåp. För att kunna jämföra de anpassade ympernas biogasproduktion och hydrolyskonstanter genomfördes experimenten även med icke-anpassad ymp. 32 VFA-provtagning Då ansamling av fettsyror, VFA, leder till att metanbildningen hämmas, var det mycket viktigt att kontrollera så att anpassningen av ympen inte gav någon ansamling av VFA. Därför kontrollerades VFA kontinuerligt under anpassningen enligt följande metod. Proverna för VFA togs ur slamdunkarna innan varje matning. Slammet hälldes i eppendorfrör som placerades i en centrifug (Centronix Microcentrifuge 1236V) och centrifugerades i cirka 3 minuter med 12000 g. Efter centrifugeringen filtrerades supernatanten genom ett filter med filterstorlek 6-10 μm av märket Munktell, Art. Nr 21 2004. Sedan togs 900 μl av det filtrerade provets supernatant och blandades med 100 μl 10 % fosforsyra. Proverna förvarades i glasampuller med lock i kylskåp tills analyserna genomfördes. Proverna analyserades med avseende på acetat- och propionatkoncentration i en gaskromatograf av märket GC Agilent 6850 Series GC System med en flamjoniseringsdetektor och en kolonn från Agilent J&W GC Columns (19095F-123E) längd 30 m, diameter 0,530 mm och film 1,0 µm. 4.5.3 Substrat till de satsvisa utrötningsförsöken Som substrat till BMP-försöken användes avloppsvatten från Skånemejerier och The Absolut Company. För att kunna jämföra innehållet i avloppsvattnen som karaktäriserades med avseende på fett, kolhydrater och proteiner användes referenssubstrat för de olika kategorierna. Som referenssubstrat i form av fett valdes grädde, då det animaliska fettet i grädden ansågs likna fettet som finns i avloppsvattnet från Skånemejerier. Som proteinreferens valdes gelatinpulver då det hade använts i en tidigare studie av Sanders (2001) och ansågs vara lätt att använda. Till referens vad gäller kolhydrater användes cellulosapulver. Eftersom cellulosa ofta används som referenssubstrat till BMP-försök var det självklart att använda även i detta försök. I Appendix 3B. visas vilka märken av de olika substraten för fett, protein och kolhydrat som användes. När avloppsvattnet som användes som substrat till de två BMP-försöken hämtades kan ses i Appendix 5. Värt att notera är att avloppsvattnet från The Absolut Company som skulle användas till BMP-försök 2 ej räckte till att starta upp alla flaskor. Till två av flaskorna med den granula ympen användes på grund av detta avloppsvatten från The Absolut Company som förvarats fryst i sex veckor. Substraten som skulle användas till BMP-försöken karaktäriserades med avseende på TS och VS. Eftersom substraten utgörs av avloppsvatten, grädde och pulver krävdes ingen homogenisering innan uppstarten av BMP-försöken. 4.5.4 Utförande av de satsvisa utrötningsförsöken Till försöken användes 2-liters glasflaskor som förbereddes tre och tre. Vikten på flaskorna och deras exakta volym hade tidigare noterats. Ymp och substrat mättes upp med våg och hälldes i de olika flaskorna. Hur mycket substrat och ymp som tillsattes beräknades fram utifrån att förhållandet mellan VS-halterna på ymp och substrat skulle vara . Ekvationerna för beräkningen samt de olika volymerna/massorna som tillsattes till de olika flaskorna av 33 ymp respektive substrat för BMP-försök 1 och 2 kan ses i Appendix 4. Försöken utfördes med en vätskevolym på 0,5 liter för referenssubstraten och 1 liter för avloppsvattnen. Efter att ymp och substrat blandats i rätt proportioner gasades flaskorna med kvävgas för att uppnå anaerob miljö. De stängdes med gummi-septum och skruvkork av metall och placerades i ett värmeskåp på 37 °C respektive 20 °C. De två första veckorna mättes den ackumulerade gasproduktionen i flaskorna varannan dag genom mätningar med gaskromatografi (GC), se figur 4.6. Mätningarna genomfördes genom att 0,2 ml gas samlades upp med hjälp av en trycklås-spruta, Pressure-lok precision analytical syringe av märket Scantec Lab, och injicerades i gaskromatografen. Gaskromatografen som användes var GC Agilent 6850 Series GC System med en termisk konduktivitetsdetektor och en kolonn från Agilent J&W GC Columns (19091Z-413E) längd 30 m, diameter 0,32 mm och film 0,25 µm. Därefter, mättes metanproduktionen två gånger/vecka. Innan varje mätning skakades flaskorna och en referensmätning med 100 % metan genomfördes. Då resultatet av den integrerade topparean för en flaska var över 15 000 tömdes gasen i flaskan för att undvika att flaskorna skulle gå sönder till följd av övertryck. Detta gjordes genom att injicera en öppen nål i gummi-septumet och låta gasen flöda ut så att trycket utjämnades och därefter mättes metanhalten igen. I fortsättningen tömdes flaskorna när resultatet av gasmätningen i en flaska visade över 1,4 gånger mer än förra mätningen, enligt ekvation 37. (37) För den första försöksomgången avslutades de experimenten som rötats vid 37 °C efter 31 dagar och de 20-gradiga flaskorna, förutom fett och protein, avslutades efter 42 dagar då kurvorna för metanproduktionen hade planat ut. Fett och protein vid 20 °C avslutades efter 50 dagar. För den andra försöksomgången avslutades de första flaskorna efter 34 dagar då kurvorna för metanproduktionen hade planat ut. Detta var The Absolut Companys avloppsvatten som rötats med båda ymperna samt protein för granul-ympen. De övriga flaskorna förutom fett och protein med den anpassade ympen avslutades efter 48 dagar då kurvorna för metanproduktionen för även dessa flaskor hade planat ut. Fett och protein avslutades efter 51 dagar. Figur 4.6 Metod för metanmätning med gaskromatografen. 34 Vid analys av resultaten användes följande metod för att erhålla ett så representativt resultat som möjligt: Resultatet från en flaska i ett triplikat bortsågs ifrån om dess slutvärde avvek med mer än 20 % från medelvärdet på slutvärdet för de båda övriga flaskorna i triplikatet. Detta urval gjordes för att få ett så representativt resultat som möjligt. Utrötningsgraden beräknades enligt ekvation 38. Denna ekvation är modifierad från ekvationen för beräkning av utrötningsgrad beskriven av Vahlberg et al. (2013). (38) VSin baserades på ett medelvärde för alla tre flaskor med samma substrat i, medan VSut baserades på en flaska som var representativ för det substratet. 4.6 Bestämning av hydrolyskonstanten Den iterativa icke-linjära least squares fitting metoden som beskrivs av Brown (2001) användes i Microsoft Excel för att bestämma parametrarna och eller med hjälp av ekvation 5 och 11, grundade på första ordningens kinetik, utifrån de erhållna datapunkterna från BMP-försöken. Metoden av Brown (2001) fungerar som en cyklisk process, där värdet på summan av det relativa felet för anpassningen minimeras genom iteration. Den cykliska processen krävde från början en gissning av startvärdena på de parametrar som undersöktes. Utifrån startvärdena beräknades ett värde på summan av det relativa felet, därefter ändrades parametrarna något och ett nytt värde beräknades tills dess att det minimala värdet på summan av det relativa felet var uppnådd (Brown, 2001). Formeln för att beräkna summan av det relativa felet visas i ekvation 39 (Koch & Drewes, 2014). (39) Genom att använda summan av det relativa felet, istället för standardfelet, vilket föreslås av Brown (2001), undveks det att få mätpunkter i det höga intervallet fick större vikt än flera mätpunkter som ligger i det låga intervallet (Koch & Drewes, 2014). Startvärdena uppskattades genom att studera litteraturvärden på för de olika -1 referenssubstraten (se tabell 3.4). Startvärdet för sattes till 0,1 d och till den högsta uppnådda gasproduktionen, för respektive substrat, i BMP-försöken. För att avgöra hur väl kurvanpassningen passade till datapunkterna beräknades även determinationskoefficienten. Determinationskoefficienten varierar mellan 0 och 1, ju högre värde desto bättre passar anpassningen till de uppmätta mätpunkterna. Vid beräkning av hydrolyskonstanterna valdes vissa punkter från BMP-kurvorna bort enligt följande kriterier: - Då lagfas förekom, togs mätvärden bort om resultatet för mätpunkten ej hade ökat med mer än 10 % sedan föregående mätning. - Då kurvan hade planat ut, kontrollerades att tre efterföljande mätpunkter låg inom 5 % från medelvärdet av punkterna. Då detta var uppfyllt togs efterkommande punkter 35 bort. Detta kriteriet grundades på att Koch & Drewes (2014) väljer att avsluta sina försök när den dagliga gasproduktionen är mindre än 1 % av den totala gasproduktionen. 4.7 Lönsamhetsberäkningsekvationer För att kunna ge en rekommendation till företagen angående hur lönsamt det skulle kunna vara att röta avloppsvattnen genomfördes ett par enkla räkneexempel. Dessa genomfördes med värden från företagens egna data på vattenflöden, COD koncentrationer och temperaturer samt med litteraturvärden och experimentella data erhållna från BMP-försöken. För att utvärdera potentiell energiåtervinning genom att röta vid 20 °C istället för vid 37 °C beräknades den årliga kostnaden för uppvärmning från avloppsvattnets utgående medeltemperatur till 37 °C. Ekvationen för att beräkna den mängd energi som går åt för uppvärmning visas i ekvation 40, där avloppsvattnet antas ha samma värmekapacitet, c, som vatten. (40) Hur mycket energi som skulle kunna fås ut från en potentiell biogasprocess enligt den teoretiska biogasproduktionen på 0,35 (l CH4 /g COD) beräknades enligt ekvation 41. (41) Hur mycket energi som skulle kunna fås ut från en potentiell biogasprocess beräknades även med hjälp av VS-koncentrationen hos substraten samt med hjälp av de uppmätta värdena på metanproduktionen från BMP-försöken enligt ekvation 42. (42) 36 Hur stor volymsskillnaden på rötkammaren skulle bli vid 20 °C jämfört med vid 37 °C uppskattas utifrån uppehållstiderna från de satsvisa försöken genomförda i denna studie. Förhållandet mellan uppehållstid och volym visas i ekvation 43. (43) 37 38 5 Resultat och diskussion Resultaten för de olika metoderna som beskrevs i kapitel 4 presenteras i detta kapitel med avseende på att bedöma huruvida avloppsvattnet från de två olika företagen, Skånemejerier och The Absolut Company, är lämpliga till att producera biogas. För att avgöra lämpligheten hos olika ymper och substrat för biogasproduktion analyseras resultaten från BMP-försöken och hydrolyskonstanten. Resultaten från karaktäriseringsmetoderna analyserades med avseende på att rekommendera en utav dem till framtida studier. För att kunna ge en rekommendation till företagen analyseras även resultaten från dataanalysen och lönsamhetsberäkningarna. 5.1 Resultatet av dataanalysen av Skånemejeriers och The Absolut Companys avloppsvatten Industriernas egna data för flöden, pH, temperatur, kväveinnehåll, fosforinnehåll och COD på avloppsvattnet analyserades för att bedöma lämpligheten för biogasproduktion. 5.1.1 Analys av interna data - Skånemejerier Figur 5.1 till 5.6 visar hur vattenflödet, COD-koncentrationen, pH, koncentrationen av fosfor, koncentrationen av kväve samt temperaturen varierar med tiden. I tabell 5.1 ses även medelvärde, standardavvikelse och variationskoefficient för dessa parametrar. Tabell 5.1 Medelvärde, standardavvikelse och variationskoefficient för diverse parametrar hos Skånemejeriers avloppsvatten. Parameter COD (mg/l) Flöde (m3/dag) Temperatur (°C) Tot-P (mg/l) N-Tot (mg/l) pH Medelvärde 2200 1080 28 13 110 Medianvärde 6,8 Standardavvikelse 1000 134 2,7 4,8 40 Minvärde 2,6 39 Variationskoefficient % 47 12 9,4 37 37 Maxvärde 11 Flöde (m3/dag) 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 01-jan Flöde Medel 11-apr 20-jul 28-okt Datum Figur 5.1 Variationen i flödet hos Skånemejeriers avloppsvatten. Avloppsvattenflödet, figur 5.1, är en av de parametrar hos Skånemejerier som är mest konstant med en låg variationskoefficient, se tabell 5.1. Flödet är en av de viktigaste parametrarna då ett högt flöde tillsammans med en hög COD-koncentration genererar hög organisk belastning vilket ger stor biogasproduktion. Ett jämnt flöde innebär även stora fördelar vid design av biogasanläggningen, för till exempel reaktorvolym, storlek på rör och pumpar. Ett jämnt flöde är också en förutsättning för en oföränderlig uppehållstid i en kontinuerlig biogas process. COD-koncentration (mg/l) 7000 6000 5000 4000 3000 COD 2000 Medel 1000 0 01-jan 11-apr 20-jul 28-okt Datum Figur 5.2 Variationen i COD-koncentration hos Skånemejeriers avloppsvatten. Som kan ses i figur 5.2 visar de höga COD-koncentrationerna på att Skånemejeriers avloppsvatten skulle kunna ha potential för anaerob rötning. Skånemejeriers avloppsvatten hade en medel COD-koncentration på 2200 mg/l vilket är högre än de 1500 mg/l i CODkoncentration som Orhon et al. (1993) menade var högt och därmed lämpligt substrat för biogasproduktion i sin studie (Orhon et al., 1993). I tabell 5.1 och i figur 5.2 kan avläsas att COD-koncentrationen varierar relativt mycket med tiden. Speciellt oroväckande är de höga topparna i januari och juni som skulle kunna innebära en störning för en potentiell 40 biogasprocess. Risken beror på att en plötslig ökning i COD leder till en ökad organisk belastning vilket är en driftparameter som bör hållas så konstant som möjligt. 14 12 pH 10 8 pH 6 Median 4 2 0 1-jan 11-apr 20-jul 28-okt Datum Figur 5.3 Variationen i pH hos Skånemejeriers avloppsvatten. Att pH-värdet visar stor variation, mellan 2,6 och 11,0 vilket kan ses i figur 5.3, kommer att bli mycket problematiskt för en framtida rötningsprocess. pH bör vara stabilt och runt 7 för att inte metanbildarna skall inaktiveras. Det är viktigt att pH-värdet i processen hålls konstant men det bör nämnas att processens pH inte kommer att variera på samma sätt som inkommande pH, då volymen i reaktorn är mycket större än inkommande flöde. Det pH avloppsvattnet har när det kommer in i biogasprocessen motsvarar dock inte nödvändigtvis det pH processen håller och behöver inte ha så stor påverkan. Trots de stora variationerna hamnar medianvärdet på 6,8 vilket är ett rimligt värde för en biogasprocess, därför skulle en bufferttank där pH variationerna kan utjämnas innan avloppsvattnet går in i själva rötkammaren vara en lösning om pH trots allt skulle bli ett problem i en framtida biogasanläggning. 40 Temperatur (°C) 35 30 25 20 Temperatur 15 Medel 10 5 0 01-jan 21-jan 10-feb 02-mar Datum Figur 5.4 Variationen i temperatur hos Skånemejeriers avloppsvatten. 41 Koncentration N-tot (mg/l) I figur 5.4 går det att avläsa att medelvärdena över två månader ligger på cirka 28 °C, men varierar mellan cirka 24 och 38 °C. En temperatur på 28 °C är mellan den optimala temperaturen för mesofil rötning och den ambienta temperaturen på cirka 20 °C som ympen i denna studie anpassas till. För att slippa lägga energi på att värma upp vattnet till en optimal mesofil drifttemperatur på 35-37 °C, skulle det kunna gynna företaget att driva biogasprocessen vid en lägre temperatur. Det är dock inte rimligt att sänka temperaturen till 20 °C vilket har varit fokus i denna studie. Ympen skulle istället kunna anpassas till en temperatur på 25-26 °C och vattnet skulle då kunna föras direkt till biogasreaktorn. Om däremot en bufferttank används för att jämna ut exempelvis pH, kommer även temperaturen på avloppsvattnet att sjunka. Ytterligare utredningar på vilken temperatur som bör användas för rötning med Skånemejeriers avloppsvatten krävs. Utöver detta ökar mängden metan löst i vatten vid minskad temperatur. Vid 20 °C är lösligheten är 20 % högre än vid 30 °C med ett värde på 0,03464 ml CH4 löst i 1 ml H2O (Wiesenburg & Guinasso, 1979). Även detta talar för en så hög temperatur som möjligt. 180 150 120 90 N-Tot 60 Medel 30 0 0 10 20 30 40 50 Vecka Figur 5.5 Variationen i totala kvävekoncentrationen hos Skånemejeriers avloppsvatten. Koncentration Tot-P (mg/l) 28 24 20 16 Tot-P 12 P medel Medel 8 4 0 0 10 20 30 40 50 Vecka Figur 5.6 Variationen i totala fosforkoncentrationen hos Skånemejeriers avloppsvatten. 42 Även om totalkväve och totalfosfor-koncentrationerna tydligt varierar i figur 5.5 och 5.6, visar det sig i tabell 5.2 nedan att COD:N:P förhållandet, beräknat för varje punkt för kväve och fosfor, enligt företagets interndata är uppfylld med hänsyn till tumregeln på 250:5:1, även då standardavvikelsen inkluderas. Detta innebär att biogasprocessen ej bör få några problem vad gäller brist på näringsämnen. Däremot visar de data som erhölls i samband med labbanalysen i denna studie att det kan finnas problem vad gäller brist på fosfor. I tabell 5.2 kan det ses att koncentrationen kväve i processen är högre än vad tumregeln rekommenderar. C/N-kvoten rekommenderas ligga mellan 10-30 med ett optimum mellan 15-25. I tabell 5.2 kan det avläsas att C/N-kvoten ligger inom det optimala intervallet. Detta medför att den något för höga koncentrationen kväve enligt COD:N:P-förhållandet inte anses utgöra något problem. Tabell 5.2 COD:N:P-förhållandet och C/N-kvoten för Skånemejeriers avloppsvatten. Skånemejerier, Interndata, medelvärde Skånemejerier, Interndata, + standardavvikelse Skånemejerier, Interndata, standardavvikelse Skånemejerier – VA-teknik COD:N:P (tumregel 250:5:1) 250:14:1,5 C/N-kvot 23 250:22:1,9 32 250:6:1,2 13 250:15:0,7 16 5.1.2 Analys av interna data - The Absolut Company Figur 5.7-5.13 visar hur vattenflödet, COD-koncentrationen, pH, temperaturen, samt kväve och fosforhalten varierar med tiden. I tabell 5.3 ses även medelvärde, standardavvikelse och variationskoefficient för dessa parametrar. Tabell 5.3 Medelvärde, standardavvikelse och variationskoefficient för parametrar hos The Absolut Companys avloppsvatten. Parameter COD (mg/l) Flöde (m3/vecka) Temperatur (°C) Kväve (mg/l) Fosfor (mg/l) pH Medelvärde 1100 3340 32 13 15 Medianvärde 9,25 Standardavvikelse 900 875 4,6 6,9 11 Minvärde 6,6 43 Variationskoefficient % 80 26 14 52 76 Maxvärde 10 4900 Flöde (m3/vecka) 4200 3500 2800 Flöde 2100 Medel 1400 700 0 01-jan 11-apr 20-jul 28-okt Datum Figur 5.7 Variationen i flödet hos The Absolut Companys avloppsvatten. Från figur 5.7 kan det ses att flödet ligger relativt konstant på cirka 3300 m3/vecka med några få undantag. De stora dipparna i kurvan kan delvis förklaras med nedtrappning och upptrappning av produktion i samband med semesterveckorna mitt i sommaren och delvis med att det har varit andra problem i processen med felkörning och liknande. Att produktionen är helt nedlagd under några veckor skulle kunna vara problematiskt vid drivandet av en biogasprocess men för en anaerob process där tillväxten av mikroorganismer är långsam har det dock visat sig att mikroorganismerna kan överleva under längre driftstopp (Kjerstadius, 2014). 4900 4200 COD (mg/l) 3500 2800 COD 2100 Serie2 1400 700 0 01-jan 11-apr 20-jul 28-okt Datum Figur 5.8 Variationen i COD-koncentration hos The Absolut Companys avloppsvatten. Ur tabell 5.3 och figur 5.8 kan det utläsas att COD-koncentrationen på The Absolut Companys Avloppsvatten varierar kraftigt. Medelvärdet på COD-koncentrationen är relativt lågt jämfört med Skånemejeriers vatten, med ett värde på 1100 mg/l. Enligt Khanal (2008) kan dock biogasprocesser drivas effektivt vid låga temperaturer med COD-koncentrationer på 200-600 mg/l. En låg COD-koncentration i avloppsvattnet kan leda till att mängden 44 producerad biogas i en framtida process kan komma att bli låg. De höga topparna i CODkoncentrationen skulle också kunna innebära problem, stor variation i den organiska belastningen påverkar biogasprocessen negativt. Detta skulle kunna åtgärdas genom en bufferttank där COD-koncentrationen får utjämnas. 14 12 pH 10 8 pH 6 Median 4 2 0 01-jan 11-apr 20-jul 28-okt Datum Figur 5.9 Variationen i pH hos The Absolut Companys avloppsvatten. I figur 5.9 och tabell 5.3 går det att avläsa att avloppsvattnet har ett pH på 9,25 i medianvärde vilket skulle kunna vara problematiskt för biogasprocessen. Det basiska vattnet kan medföra att framförallt de acidogena bakterierna men även de övriga mikroorganismera inhiberas. Avloppsvattnets pH är relativt konstant, den mest noterbara dippen som går under pH 6 är i samband med nedstängning av produktionen för sommaruppehåll. Det bör dock nämnas att det pH som avloppsvattnet har när det kommer in i biogasprocessen inte nödvändigtvis motsvarar det pH som biogasprocessen håller och behöver inte ha så stor påverkan. Om det höga pH-värdet trots detta skulle bile ett problem sjunker pH-värdet, enligt företagrepresentant (Hansson, 2014), företagsdata och observationer i denna studie, då vattnet får stå i någon dag. Om en biogasprocess skall drivas med detta avloppsvatten som substrat, behöver därför inte pH-medianvärdet på 9,1 bli något problem. Om vattnet exempelvis skulle förvaras i en bufferttank i ett dygn innan det pumpas in till processen skulle pH hinna sjunka till ett lägre värde. Tanken skulle dock behöva ha en volym på cirka 477 m3 för att rymma vatten från 1 dygn. Sänkningen i pH kan ses i figur 5.10, där de fyrkantiga markeringarna representerar pH i utloppet för avloppsvattnet och de trekantiga markeringarna representerar resultat för veckomedel prov som har skickats till analyslabb. 45 14 12 pH 10 8 pH Direkt 6 Median Medel pH Senare 4 Median medel 2 0 01-jan 11-apr 20-jul 28-okt Datum Figur 5.10 pH förändring hos The Absolut Companys avloppsvatten efter en kortare lagringstid. Det vatten som analyserades på analyslabb hade stått i genomsnitt 4 dagar och hade ett medianvärde på 7,4. Från observationerna från BMP-försöken syns inte heller några tendenser på inhibering av mikroorganismer till följd av högt pH och då pH mättes vid avslutade BMPförsök låg det runt 7. 40 Temperatur (°C) 35 30 25 20 Temperatur 15 Medel 10 5 0 01-jan 11-apr 20-jul 28-okt Datum Figur 5.11 Variationen i temperatur hos The Absolut Companys avloppsvatten. I figur 5.11 och i tabell 5.3 går det att avläsa att vattnets temperatur har ett medelvärde på 32 °C. Detta medelvärde ligger något under den optimala temperaturen för mesofil rötning. Temperaturen är även den driftparameter hos The Absolut Companys avloppsvatten som varierar minst vilket kan ses på variationskoefficienten i tabell 5.3. För att slippa värma upp vattnet skulle det kunna vara ett alternativ att driva en eventuell rötningsprocess vid ambient temperatur. Även då temperaturen sjunker kraftigt vilket kan ses på de stora dalarna i figur 5.11 är vattnet oftast tillräckligt varmt för en rötningsprocess som drivs vid 20 °C. 46 Ett alternativ är att istället för att anpassa en ymp till 20 °C, vilket har gjorts i denna studie, kan en ymp försöka anpassas till cirka 30 °C. I så fall skulle vattnet kunna föras direkt från avloppet till biogasreaktorn. Om en bufferttank behövs för att utjämna pH och COD kommer dock vattnets temperatur att sjunka i denna och avloppsvatten med en lägre temperatur än 30 °C skulle pumpas till rötkammaren. Det bör även tas i åtanke att mer metan löser sig i vatten vid lägre temperatur. Exempelvis är 20 % mer metan löst vid en temperatur på 20 °C jämfört med 30 °C (Wiesenburg & Guinasso, 1979). Rätningsprocessen bör därför drivas vid en så hög temperatur som möjligt. 50 Koncentration N-tot (mg/l) 43 36 29 22 N-Tot 15 Medel 8 1 01-jan -6 11-apr 20-jul Datum 28-okt Figur 5.12 Variationen i totala kvävekoncentrationen hos The Absolut Companys avloppsvatten. Koncentration Tot-P (mg/l) 60 50 40 30 Tot-P 20 Medel 10 0 01-jan 11-apr 20-jul 28-okt Datum Figur 5.13 Variationen i totala fosforkoncentrationen hos The Absolut Companys avloppsvatten. Figur 5.12 och 5.13 visar hur kväve- och fosforhalterna varierar med tiden enligt interna veckomedelvärdesprov. Både kväve och fosfor koncentrationerna i vattnet varierar kraftigt. 47 Med värdena som har erhållits från The Absolut Companys interndata samt våra egna analysdata kan medelvärdet för COD:N:P förhållandet och C/N-kvoten för The Absolut Companys avloppsvatten beräknas och resultatet visas i tabell 5.4. Tabellen visar även resultaten då de båda näringsämnenas standardavvikelse har adderats och subtraherats från medelvärdet. Tabell 5.4 COD:N:P-förhållandet och C/N-kvoten för The Absolut Companys avloppsvatten. The Absolut Company – Interndata medelvärde The Absolut Company, Interndata + standardavvikelse The Absolut Company, Interndata - standardavvikelse The Absolut Company – VA-teknik COD:N:P (tumregel 250:5:1) 250:4:3,8 C/N-kvot 87 250:5:6,4 137 250:2:1,2 37 250:4:1,9 65 Värdena på COD:N:P förhållandet från interna samt egna analysdata tyder på att det finns viss risk att mikroorganismerna i en framtida process kan komma att lida av kvävebrist (förutom då den positiva standardavvikelsen används). Däremot finns det tillräckligt med fosfor enligt detta förhållande oavsett positiv eller negativ standardavvikelse. Enligt vad som beskrevs i sektion 3.3.6 krävs i många fall inte så höga kväve och fosforkoncentrationser som tumregeln visar. Trots det lägre förhållandet är det alltså inte säkert att det kommer förekomma kvävebrist för mikroorganismerna då 250:5:1 bara är en tumregel. C/N-kvoten, som bör ligga mellan 10-30 med optimum på 15-25, är alldeles för hög på The Absolut Companys avloppsvatten. Även detta tyder på att kvävebrist skulle kunna råda i en rötningsprocess. Tillgången på kväve bör undersökas i kontinuerliga försök. Om de kontinuerliga försöken tyder på kvävebrist, kan extra kväve tillsättas en framtida biogasprocess eller så kan samrötning med ett kväverikt substrat utredas. 5.2 Resultat av karaktäriseringen av industriavloppsvatten I detta avsnitt kommer resultatet av de olika andelarna fett, protein och kolhydrater för de två valda substraten, industriavloppsvatten från Skånemejerier och The Absolut Company, beräknas med hjälp av två olika metoder; Lowry och Anthrone samt Kleerebezem & van Loosdrecht. 5.2.1 Resultat för Lowry och Anthrone-metoden Lowrymetoden används för att bestämma proteinkoncentrationen i substraten. Dess standardkurva med en linjär anpassning samt ekvationen för den linjära anpassningen visas i Appendix A. Genom att använda ekvationen för den linjära anpassningen kan de olika provernas proteinkoncentration bestämmas utifrån deras absorbans, se Appendix A. Resultaten visas i tabell 5.5. 48 Tabell 5.5 De olika provernas proteinkoncentration. Prov Skånemejerier The Absolut Company Proteinkoncentration som BSA (mg/l) 500 71 Genom Anthrone-metoden fås kolhydratkoncentrationen i substraten fram. Standardkurvan för anthrone med en linjär anpassning samt ekvationen för den linjära anpassningen visas i Appendix A. Ekvationen för den linjära anpassningen till standardkurvan ska enligt metoden gå genom origo. Trots att första mätpunkten för referenskurvans blank med anthrone ligger på 0,026 på grund av ett misstag med spektrofotometer-nollningen tvingas alltså den linjära anpassningen genom origo. En uträkning där kurvan ej tvingas genom origo visar att kolhydratkoncentrationerna i detta fall hade blivit cirka 16 % högre än de värden som visas i tabell 5.6. Tabell 5.6 De olika provernas kolhydratkoncentration. Prov Skånemejerier The Absolut Company Kolhydratkoncentration (mg/l) 120 32 Andel av protein, fett och kolhydrater enligt Lowry och Anthrone-metoden Efter att koncentrationerna för protein och kolhydrater i substraten tagits fram beräknas de om till andelar genom att anta att substratens VS representerar den totala mängden av proteiner, kolhydrater och fett i substraten. Efter att andelen protein och kolhydrater tagits fram antogs resten av VS-halten utgöras av fett. Andelar av protein, kolhydrater och fett utifrån Lowry och Anthrone-metoden visas i tabell 5.7 samt i figur 5.14. Tabell 5.7 Andel protein, fett och kolhydrater i avloppsvattnen från Skånemejerier och The Absolut Company utifrån Lowry och Antrhrone-metoden. Prov Skånemejerier The Absolut Company ηpr 0,30 0,17 VS (mg/l) 1650 405 49 ηCHo 0,074 0,078 ηLIP 0,63 0,75 Figur 5.14 Andel protein, fett och kolhydrater i avloppsvattnen från Skånemejerier och The Absolut Company utifrån Lowry och Antrhrone-metoden. 5.2.2 Resultat från Kleerebezem & van Loosdrecht för andelar protein, fett och kolhydrater. Resultaten från Dr Lange testen visas i Appendix 6 B. Det bör nämnas att TOC mätningarna från Dr Lange analysen inte gav något resultat, istället används resultaten från TOCanalysatorn i Kleerebezem & van Loosdrecht uträkningen. Resultaten från TOC-analysatorn ses även i appendix 1 E. Resultaten är ett medelvärde från två stycken oberoende mätningar. Resultaten från titreringen visas i Appendix 6 A. Från Dr Lange resultaten för Ntot , NH4 -N, NO3-N och NO2 -N kan mängden organiskt kväve beräknas enligt ekvation 13, även dessa visas i Appendix 6 B. Det organiska substratets sammansättning enligt Kleerebezem & van Loosdrecht-metoden Koefficienterna y, z, v och u till formeln för ett generellt substrat, C xHy OzN v u, tas fram och visas i tabell 5.8. Tabell 5.8 Sammansättningen för substraten enligt Kleerebezem & van Loosdrecht-metoden. Substrat CxHyOzNvu x y z v u Skånemejerier 1 2,6 0,59 0,092 -0,012 The Absolut Company 1 3,6 0,20 0,059 -0,14 Andel av kolhydrater, fett och protein i substratet enligt Kleerebezem & van Loosdrechtmetoden De olika molfraktionerna av protein, VFA, fett och kolhydrater för de två substraten visas i tabell 5.9. Tabell 5.9 Molfraktionerna av protein, VFA, fett och kolhydrater för de två substraten utifrån Kleerebezem & van Loosdrecht-metoden. Substrat Skånemejerier The Absolut Company ηpr 0,35 0,23 ηVFA 0,024 0,28 50 ηLIP 0,66 1,9 ηCHO -0,041 -1,4 Som kan ses i tabell 5.9 blir andelarna orimliga med negativa värden på andelen kolhydrater. Den troligaste anledningen till detta är att 5-punktstitreringen och uträkningarna för att få ut alkaliniteterna har blivit fel då en del parametrar krävde antaganden. Det är rimligast att det är framtagandet av alkaliniteten som blivit fel då de övriga analyserna som användes till Kleerebezem & van Loosdrecht-metoden var mer beprövade metoder med färre steg som kunde gå fel. Dock finns alltid en felkälla när det gäller spädning, vilket skedde både till Dr Lange och till TOC-analysen, denna felkälla bedöms i detta fall som låg då avloppsvattnet var homogent. En annan felkälla som bör nämnas i samband med TOC resultaten är antagandet som görs i samband filtrering av vattnet. Detta antagande bedöms dock som rimligt då TOC utgör en del av COD-koncentrationen i substraten. Till framtida studier rekommenderas att 5-punktstitreringen jämförs med exempelvis en 2punktstitrering för att se om värdena på alkaliniteten stämmer överens. De båda karaktäriseringsmetodernas beräknade andelar I tabell 5.10 finns resultatet från de båda karaktäriseringsmetoderna på hur stor andel protein, fett och kolhydrater respektive substrat är uppbyggt av. Kleerebezem & van Loosdrechtmetoden ger även andelen VFA. Tabell 5.10 Andelarna av protein, fett och kolhydrater enligt de båda karaktäriseringsmetoderna. Dessutom andelen VFA enligt Kleerebezem & van Loosdrechtmetoden. Substrat Skånemejerier The Absolut Company Metod Kleerebezem & van Loosdrecht ηprotein 0,35 ηfett 0,66 ηkolhydrater -0,041* ηVFA 0,024 Lowry och Anthrone Kleerebezem & van Loosdrecht 0,30 0,62 0,074 - 0,23 1,9* -1,4* 0,28 Lowry och Anthrone 0,18 0,75 0,078 - *Orimligt då andelarna ska vara mellan 0 och 1. Utifrån tabell 5.10 går det att avläsa att andelen protein blir i stort sätt samma för båda karaktäriseringsmetoderna för båda substraten. Även andelarna fett för Skånemejerier ger liknande värden för de båda metoderna. För kolhydrater ger Kleerebezem & van Loosdrechtmetoden negativa värden vilket är osannolikt, men om värdena ligger mycket nära noll är det möjligt att istället få negativa värden då det alltid finns en viss osäkerhet. Resultaten för Skånemejeriers avloppsvatten visar att det innehåller framförallt fett och protein, samt en liten andel kolhydrater. Detta resultat talar emot Perle et al. (1995) som menar att mejeriavloppsvattnen är naturligt rikt på till största del kolhydrater (Perle et al., 1995) och studien av Hassan & Nelson (2012) som menar att den största delen av torrsubstansen (TS) i mejeriavloppsvatten kommer från laktos (Hassan & Nelson, 2012). Resultat från både Kleerebezem & van Loosdrecht- metoden och Lowry och Anthrone- 51 metoden ger mycket låga kolhydratandelar (cirka noll). Detta anses alltså orimligt då litteraturstudien indikerade att andelen kolhydrat i avloppsvatten från ett mejeri borde vara hög. Att resultatet för Skånemejeriers andelar visar att det innehåller till största del fett runt 60 % talar även emot studien av Hassan & Nelson (2012) som visar att mjölkfettet vanligen representerar 4-22 % av torrsubstansen i avloppsvatten från mejeri (Hassan & Nelson, 2012). Även för The Absolut Companys avloppsvatten blev resultaten mycket dåliga. Det är väldigt osannolikt att detta avloppsvatten, från ett destilleri, skulle innehålla en andel av fett på 190 % eller 75 % då råvaran för att tillverka Absolut Vodka är vatten och vete som bara innehåller några procent fett. Att dessutom andelen fett skulle vara över 100 % är helt omöjligt. Enligt resultaten i tabell 5.10 innehöll avloppsvattnet från The Absolut Company i stort sätt inga kolhydrater alls enligt Lowry och Anthrone- metoden och -140 % kolhydrater enligt Kleerebezem & van Loosdrecht- metoden. Att få negativa värden är helt orimligt, speciellt då det är troligt att The Absolut Companys avloppsvatten innehåller framförallt kolhydrater och proteiner samt bara en liten andel fett eftersom råvaran för tillverkningen är vete. Som nämndes i avsnitt 5.2.1 blev spektrofotometer-nollningen för Anthronemetoden felaktig vilket borde ge högre värde på andelen kolhydrater än vad den nu gör. Dock är skillnaden mycket liten, en 16 % ökning av kolhydratandelen resulterar i att andelen kolhydrater blir 0,085 och 0,090 istället för 0,074 respektive 0,078. Även dessa kolhydratandelar hade resulterat i en orimligt hög andel fett. Att Kleerebezem & van Loosdrecht- metoden ger negativt värde på andelen kolhydrater gör att denna metod anses vara osäker för denna typ av substrat med tunna vatten. The Absolut Companys avloppsvatten har dessutom en hög andel VFA, nästan 30 % av det organiska materialet består av VFA enligt resultaten i tabell 5.10. Vid en kontroll med ursprungliga analysresultat (COD-koncentration enligt Dr Lange och VFA koncentration enligt titrering) erhålls dock ett mycket lägre värde på andelen VFA, 8 %. Även detta visar på att Kleerebezem & van Loosdrecht-metoden inte är tillförlitlig. Att andelarna enligt Lowry och Anthrone-metoden är omräknade från koncentration till andelar med hjälp av VS-halten ger en felkälla. Detta då dessa mycket tunna avloppsvatten kan påverkas av hur vikten på aluminiumformarna ändras under VS-bestämningen. Dessutom finns det en risk att vissa flyktiga ämnen (VFA) avgår vid torkning i samband med VSbestämningen. Detta skulle då kunna resultera i att VS-koncentrationerna har blivit för låga och därmed kan också andelarna beräknade enligt Lowry och Anthrone-metoden ha blivit fel. En annan felkälla i samband med Lowry och Anthrone-metoden är spädningar samt problemet med standardkurvan. Att dessutom fettet, som har det högsta litteraturvärdet på metanpotentialen av de tre ämnena, bestäms genom att anta att allt förutom kolhydrater och protein är fett kan ge ett mycket missvisande resultat. En positiv aspekt med denna metod är dock att andelarna kolhydrater och proteiner bestäms helt oberoende av varandra. Andelarna beräknade enligt Kleerebezem och van Loosdrecht- metoden baseras på ett stort antal olika mätningar och många led av uträkningar. Ifall någon av de mätningarna blivit fel, kommer det påverka resultatet för alla andelarna. Fel på mätningarna skulle kunna bero på felkällorna som nämnts tidigare i samband med de olika metoderna. Dessa felkällor är spädning i samband med Dr Lange och TOC, filtreringen i samband med TOC och 52 antagandena i samband med framtagandet av alkaliniteten. Att Kleerebezem och van Loosdrecht-metoden även ger andelen VFA, vilket inte Lowry och Anthrone-metoden gör, kommer påverka resultatet av kolhydratandelen som bestäms genom att subtrahera de övriga andelarna från 1. För Skånemejerier där andelen VFA är en väldigt liten del kommer det inte påverka resultaten nämnvärt, men för The Absolut Company gör det stor skillnad i detta fall. Båda dessa metoder skulle kunna utvärderas genom att även andelarna av fett, kolhydrater och proteiner i referenssubstraten analyserades. Då det redan är känt exempelvis hur stor andel av fett som vispgrädden innehåller hade man genom denna typ av analyser kunnat avgöra tillförlitligheten hos metoderna. 5.3 COD/Sulfat-ratio För att undersöka eventuell inhibering av metanproduktionen på grund av sulfatreducerande mikroorganismer beräknas COD/sulfat (SO4 )-ration för de båda avloppsvattnen baserade på Dr Lange resultaten. Resultaten visas i tabell 5.11. Tabell 5.11 COD/Sulfat-ration för de två avloppsvattnen använda i studien. Prov Skånemejerier The Absolut Company COD (mg/l) 2420 813 Sulfat (mg/l) 137 40,9 COD/Sulfat-ratio 17,6 19,8 Resultaten på COD/Sulfat-ration visar på att det inte finns någon risk för inhibering på grund av sulfat för något av de två substraten. Ration bör vara över 2,7 för att metanbildarna skall vara dominerande och detta är uppnått med god marginal. 5.4 Resultat från de satsvisa utrötnings försöken BMP-försöken utfördes för att utvärdera lämpligheten hos substraten för biogasproduktion. 5.4.1 Anpassning av ymp till BMP-försök I tabell 5.12 kan VS-koncentrationen samt standardavvikelsen för VS-koncentrationen hos ympen före och efter den 4 veckor långa anpassningen utläsas. Även VFA koncentrationen före och efter anpassningen visas i tabell 5.12. Tabell 5.12 VS-koncentrationen samt VFA-koncentrationen hos ympen före och efter anpassning. Ymp Innan anpassning Efter anpassning VS (g/l) Standardavvikelse 11,0 11,1 0,0685 0,0216 VFA (mg acetat/l COD) 22,8* 13,1* * Medelvärden för acetatkoncentrationen i dunkarna. Värdena är under lägsta kalibrator nivån på 25 mg/l COD. Utifrån dessa resultat kan det konstateras att anpassningen ej påverkade VS-halten. Detta är positivt då en minskning i VS-halten hade kunnat vara en effekt av att ympen började bryta ned sig själv. Den lilla ökningen i VS skulle kunna bero på att primärslam tillsatts som 53 substrat till ympen och inte har brutits ned helt och hållet eller att ympen har växt under anpassningstiden. VFA-koncentrationen ger ytterligare ett sätt att kontrollera att ympen ej har inaktiverats eller hämmats under anpassningen. Resultaten från VFA-mätningarna av de båda dunkarna visade mycket låga halter av actetat (mg/l COD) och ingen propionat (mg/l COD) både före och efter anpassning. Utifrån resultaten på VS-koncentration och VFA-koncentration dras slutsatsen att ympen var bra när den användes till BMP-försök 2. 5.4.2 BMP-kurvor för BMP-försök 1 och 2 Resultaten från BMP-försöken för de olika substraten visas i figur 5.15-5.19. Triplikaten för de olika kurvorna visas i Appendix 6 C. I de fall då slutvärdet för metanpotentialen hos en av flaskorna i triplikatet avvikit med mer är 20 % från slutmedelvärdet av de andra två har dessa resultat tagits bort i totalkurvorna som visas nedan. Detta har skett för totalkurvorna med Kolhydrater vid 37 °C och The Absolut Company vid 20 °C för BMP 1 samt Fett granuler, Skånemejerier granuler och The Absolut Company granuler i BMP-försök 2. Metanproduktion (Nl/kg VS) 800 700 600 Skånemejerier, Anpassad ymp, 20 °C, BMP 2 500 400 Skånemejerier, Granuler, 20 °C, BMP 2 300 200 Skånemejerier, 20 °C, BMP1 100 0 0 10 20 30 40 50 60 Tid (dagar) Figur 5.15 Resultat från BMP-försök med Skånemejeriers avloppsvatten som substrat. BMP-kurvorna för Skånemejeriers avloppsvatten, figur 5.15, skiljer sig markant från varandra. Den kurva som mest avviker från de andra är då granuler användes som ymp i BMP-försök 2. Denna kurva liknar den anpassade ympens kurva under de första tio dagarna, men sedan stannar den av helt på en mycket låg total metanproduktion (cirka 135 NL/kg VS). Detta kan bero på att granulerna inte är acklimatiserade till substrat med mycket mjölkfett eller mjölkproteiner och de får därför svårt att hydrolysera dessa ämnen vilket leder till en ineffektiv biogasprocess. Detta har även observerats av Perle et al. (1995) som konstaterar att proteinet i mejeriprodukter finns i form av kaseinmiceller vilket kan ställa till med problem för mikroorganismerna vid rötning. Dessutom skriver Perle et al. (1995) att det finns en risk att de långa fettsyrorna från mjölkfettet kan ha en inhiberande effekt på metanogenesen (Perle et al., 1995). 54 Om processen har blivit sur skulle även det kunna ge minskad biogasproduktion och då pH mättes efter avslutat försök visade det ett pH på 6,78. Detta är något lägre än det önskade pHvärdet på 7, vilket tyder på att någon typ av försurning kan ha skett. Dock visade VFA analyser att det inte fanns något problem med ansamling av fettsyror. I figur 5.15 kan det även ses att då den icke-anpassade ympen i BMP-försök 1 användes kom metanproduktionen igång snabbt och stannade sedan av på ett värde på runt 600 NL/kg VS innan det började öka igen till den sista mätpunkten. Det hade, om mer tid funnits, varit intressant att se hur högt kurvan för BMP-försök 1 skulle nått om rötningen fortsatt. Då den anpassade ympen användes i BMP-försök 2 får kurvan en sigmoidal form. Detta är inte helt ovanligt då fettrika substrat rötas, vilket till exempel kan ses i Davidsson et al. (2008) där oleinsyra och stearinsyra användes som substrat för anaerob rötning (Davidsson et al., 2008). Efter 34 dagar har dock metanpotentialen då den anpassade ympen i BMP-försök 2 användes uppnått samma värde som då den icke-anpassade ympen användes. Metanproduktion (Nl/kg VS) 800 700 600 The Absolut Company, Anpassad ymp, 20 °C, BMP 2 500 400 The Absolut Company, Granuler, 20°C, BMP 2 300 200 The Absolut Company, 20 °C, BMP 1 100 0 0 10 20 30 40 50 60 Tid (dagar) Figur 5.16 Resultaten från BMP-försöken med The Absolut Companys avloppsvatten som substrat. För The Absolut Company ser de tre metanpotentialkurvorna i figur 5.16, BMP-försök 1 med icke anpassad ymp vid 20 °C, BMP-försök 2 med granuler samt BMP-försök 2 med anpassad ymp, relativt lika ut. Då granulerna användes gick metanproduktionen som fortast och nådde även högst slutvärde. Detta skulle kunna förklaras av att granulerna hämtades på Carlsbergs reningsverk (VIVAB) där avloppsvattnet från Carlsberg Sverige rötas. Det är troligt att avloppsvattnet från ett destilleri som The Absolut Company har liknande karaktär som avloppsvattnet från ölbryggeriet Carlsberg Sverige, vilket i så fall skulle gynna mikroorganismerna. Värt att nämna är att för rötning med granulerna användes avloppsvatten från två olika omgångar; en flaska med nytt vatten och två flaskor med vatten som varit fryst. Det vatten som varit fryst uppvisade högre metanproduktion vilket kan förklaras med att frysning förbehandlar vattnet och därmed underlättar hydrolysen som är det hastighetsbestämande steget. 55 Metanproduktion (Nl/kg VS) 1200 1000 800 Kolhydrater, Anpassad ymp, 20 °C, BMP 2 600 Kolhydrater, Granuler, 20 °C, BMP 2 400 Kolhydrater, 20 °C, BMP 1 200 Kolhydrater, 37 °C, BMP 1 0 0 10 20 30 40 50 60 Tid (dagar) Figur 5.17 Resultaten från BMP-försöken med kolhydrat som substrat. Figur 5.17 visar resultaten från de två BMP-försöken med kolhydrater som substrat. Något som är gemensamt för alla kurvor är att de uppvisar en lagfas i början av försöken innan metanproduktionen kommer igång. Den längsta lagfasen, cirka 7 dagar, har kurvan med den icke anpassade ympen har rötats vid 20 °C i BMP-försök 1. Det märks tydligt att nedbrytningen av kolhydrater och metanproduktionen är snabbast vid 37 °C. Vad gäller BMPförsök 2 med den anpassade ympen samt granul-ympen har de båda metanproduktionskurvorna väldigt liknande form. Metanproduktion (Nl/kg VS) 1200 1000 800 Protein, Anpassad ymp, 20 °C, BMP 2 600 Protein, Granuler, 20 °C, BMP 2 400 Protein, 20 °C, BMP 1 200 Protein, 37 °C, BMP 1 0 0 10 20 30 40 50 60 Tid (dagar) Figur 5.18 Resultaten från BMP-försöken med protein som substrat. En intressant slutsats som kan dras utifrån figur 5.18 är att kurvorna för proteinet som rötades vid 37 °C och proteinet som rötades med granul-ympen är väldigt lika, medan kurvorna för proteinet som rötades med den icke-anpasssade ympen respektive den anpassade ympen har ett liknande utseende. Detta tyder på att anpassningen i detta fall inte gav någon förbättring. Proteinet vid 37 °C har eventuellt avslutats för tidigt då kurvan efter en platå vid 330 NL/kg VS fortsatte att öka. Det hade, om mer tid funnits, varit intressant att se vid vilken metanproduktion den slutligen skulle ha stannat av. 56 Metanproduktion (Nl/kg VS) 1200 1000 800 Fett, Anpassad ymp, 20 °C, BMP 2 600 Fett, Granuler, 20 °C, BMP 2 400 Fett, 20 °C, BMP 1 200 Fett, 37 °C, BMP 1 0 0 10 20 30 40 50 60 Tid (dagar) Figur 5.19 Resultaten från BMP-försöken med fett som substrat. Kurvorna för metanproduktionen med fett som substrat varierar stort i utseende vilket kan ses i figur 5.19. Alla kurvorna har dock gemensamt (förutom med granulerna) att formen på BMP-kurvorna är sigmoidal. Som nämndes tidigare är detta ej helt ovanligt vad gäller fettrika substrat. Enligt Davidsson et al. (2008) kan detta bero på att mikroorganismerna till en början hämmas av den höga koncentrationen, men att de sedan återhämtar sig och når en hög metanpotential (Davidsson et al., 2008). Fettet som rötades vid 37 °C nådde sitt maxvärde klart snabbast. Granulerna visade sig vara oförmögna att hantera denna typ av mjölkbaserat material, vilket kan ses både här i figur 5.19 och i figur 5.15. Perle et al. (1995) konstaterade att det finns en risk att de långa fettsyrorna från mjölkfett kan ha en inhiberande effekt på metanogenesen vilket skulle kunna förklara kurvornas utseende (Perle et al., 1995). Att den ymp som är anpassad till en 20-gradig temperatur har långsammare metanproduktion än den icke-anpassade ympen är förvånande. En möjlig förklaring är att detta skulle kunna bero på att mer enzymer, som används för att bryta ned det organiska materialet i hydrolysen, utsöndras då ympen avgasas vid 37 °C innan BMP-försök 1 än då ympen står i 20 °C. Ytterligare en observation som görs utifrån figur 5.19 är att metanproduktionskurvan för rötning av fett med den anpassade ympen i BMP 2 har mycket hög standardavvikelse. I övriga fall med hög standardavvikelse berodde det framförallt på att en av kurvorna avvek från de övriga och denna kurva valdes då bort enligt 20 % kriteriet. I detta fall var det dock stor variation mellan alla tre kurvor i triplikatet, se Appendix 6 C, och därför kunde ingen kurva bortses från. 57 Utrötningsgrad (%) 5.4.3 Utrötningsgrad Utrötningsgraden är ett sätt att beskriva hur stor andel av det organiska materialet i substratet som har omsatts till biogas av mikroorganismerna under en viss tid. Utrötningsgraden för alla substrat under de olika BMP-försöken kan ses i figur 5.20. 80 70 60 50 40 30 20 10 0 BMP 1, 37 °C BMP 1, 20 °C BMP 2, Anpassad ymp, 20 °C BMP 2, Granuler, 20 °C Figur 5.20 Utrötningsgrad för de olika substraten efter BMP-försök 1 och 2. Utrötningsgraden kan teoretiskt bli 100 % i en satsvis process, men det skulle krävas mycket långa rötningstider för att uppnå praktiskt. De utrötningsgrader som redovisas i figur 5.20 är baserade på olika lång tid mellan 30 och 50 dagar. Det går att se i figur 5.20 att granulerna gav högst utrötningsgrad för rötning av referenssubstraten. Då detta jämförs med BMPkurvorna för referenssubstraten tycks det orimligt att fettet har så pass hög utrötningsgrad då granulerna användes eftersom mycket lite metan producerats. En möjlig förklaring till detta skulle kunna vara att granulerna har använt substratet till något annat än metanproduktion, exempelvis produktion av koldioxid. The Absolut Company uppvisar enligt figur 5.20 sämst utrötningsgrad över lag med värden på mellan 16 och 27 % vilket tyder på att substratet eventuellt är svårt för mikroorganismerna att bryta ned. Flaskorna med The Absolut Companys avloppsvatten som substrat var de flaskor som hade lägst VS-konstentration från start, vilket gör felkällan i mätningarna större. 5.4.4 Teoretiska jämfört med experimentellt uppmätta värden på biogasproduktionen För att kunna utvärdera och jämföra de experimentellt uppmätta värdena för biogaspotentialen kommer beräkningar av den teoretiska biogaspotentialen göras. Ur Kleerebezem & van Loosdrecht-metoden fås bland annat det organsiska materialets sammansättning och med hjälp av detta kan den teoretiska biogaspotentialen för de två avloppsvattnen beräknas med Buswells ekvation beskriven i sektion 4.4.1. För referenssubstraten i form av fett, kolhydrater och protein kommer de teoretiska metanpotentialerna från tabell 3.2 att användas för jämförelsen. Resultaten för de teoretiska metanpotentialerna, de experimentellt uppmätta metanpotentialerna samt procentandelen av den uppnådda metanpotentialen ur den teoretiska visas i tabell 5.13. 58 Tabell 5.13 Den teoretiska metanproduktionen jämfört med de experimentellt uppmätta värdena. Substrat Teoretisk metanpotential (Nl CH4/kg VS) Skånemejerier 570A The Absolut Company 1005A Fett 1014 Protein 496 Kolhydrater 415 A B Ymp Experimentellt uppmätt metanpotential (Nl CH4/kg VS) 20 °C Anpassad Granuler 20 °C Anpassad Granuler 20 °C 37 °C Anpassad Granuler 20 °C 37 °C Anpassad Granuler 20 °C 37 °C Anpassad Granuler 662 614 167 400 358 435 861 1002 752B 200 294 410 249 341 342 397 339 341 Uppnådd metanpotential (% av teoretiska) 116 108 29 40 36 43 85 100 75 20 59 83 50 69 82 96 82 82 Utrötnings grad (%) 33 49 46 27 17 21 38 44 54 56 36 29 51 54 38 44 45 71 Beräknat enligt molmassan från Kleerbezem & van Loosdrecht-metoden. Metanproduktionen hade inte ännu stannat av då detta värde avlästes. För Skånemejeriers avloppsvatten observeras det, enligt resultaten i tabell 5.13, att värden på metanproduktionen är klart över det teoretiska värdet beräknat enligt Buswells ekvation med substratets sammansättning enligt Kleerebezem & van Loosdrecht-metoden. Detta ger en tydlig indikation på att resultaten utifrån Kleerebezem & van Loosdrecht- metoden inte är tillförlitliga. Det är även noterbart att då granulerna används för rötning av avloppsvattnet från Skånemejerier uppnås bara 29 % av det ”teoretiska” värdet. För The Absolut Companys avloppsvatten kan det utläsas ur tabell 5.13 att de experimentellt uppmätta värdena är långt ifrån de teoretiskt beräknade enligt Buswells ekvation. Detta skulle kunna bero på att de beräknade värdena utifrån Kleerebezem & van Loosdrecht-metoden inte är korrekta, vilket misstänks med avseende på resultaten i tabell 5.9. En annan möjlig förklaring är att det förekommer kvävebrist i systemet då COD:N:P-kvoterna beräknade i tabell 5.4 tydde på att den risken finns. Då två tredjedelar av VS-halten (det organiska materialet) kom från ympen vid uppstarten av BMP-försöken borde ej risken med kvävebrist bidra till att tillväxten av mikroorganismerna blir begränsande då det finns ett överskott av mikroorganismer. Precis som kan ses i BMP-kurvan för fett (figur 5.19) är granulerna klart sämst vad gäller rötning av fett, medan de andra ymperna når en hög andel av det teoretiska värdet. Värdet i tabell 5.13 för den anpassade ympen är inte helt representativt då BMP-kurvan vid avslutningen visade på fortsatt ökning. 59 Proteinerna når den högsta andelen av det teoretiska värdet vid rötning vid 37 °C. Sämst metanpotential uppvisade den anpassade ympen, men om försöket hade fått pågå längre är det möjligt att den hade ökat något ytterligare. För kolhydraterna är alla ymper som rötades vid 20 °C likvärdiga, men det högsta värdet på metanproduktionen uppnåddes då rötningen skedde vid 37 °C. Det är rimligt då metanpotentialen utifrån ett visst substrat bör vara samma oavsett förhållanden om mikroorganismerna ej är inhiberade och rötningen får fortsätta tills metanproduktionen stannat av. Eftersom det på flera olika ställen i resultatdelen visat sig att Kleerebezem & van Loosdrechtmetoden inte är en tillförlitlig metod har även den uppnådda metanpotentialen för avloppsvattnen räknas om till Nl CH4/kg COD och jämföras med den teoretiska metanpotentialen på 350 Nl CH4/kg COD. Dessa resultat visas i tabell 5.14. Tabell 5.14 Den uppnådda metanpotentialen för avloppsvattnen omräknat till Nl CH4/kg COD jämfört med den teoretiska metanpotentialen. Substrat Teoretisk metanpotential (Nl CH4/kg COD) Skånemejerier 350 The Absolut Company 350 Ymp 20 °C Anpassad Granuler 20 °C Anpassad Granuler Experimentellt uppmätt metanpotential (Nl CH4/kg COD) 425 395 107 171 153 186 Uppnådd metanpotential (% av teoretiska) 122 113 31 49 44 53 Resultaten i tabell 5.14 ger något högre uppnådd metanpotential både för Skånemejerier och The Absolut Company än resultaten i tabell 5.13. Skillnaden mellan resultaten är dock inte särskilt stor, endast 3-10 procentenheter. Detta tyder på att substratsammansättningen (CxHyO zNvu) bestämd utifrån Kleerebezem & van Loosdrecht- metoden är en bra approximation och att felet med karaktäriseringsmetoden uppstår då andelarna av fett, protein och kolhydrater beräknas. I tabell 5.15 visas en sammanfattning av resultaten för Skånemejerier och The Absolut Company från figur 5.20, tabell 5.13 och tabell 5.14. 60 Tabell 5.15 Sammanfattning av resultaten för uppnådd metanpotential samt utrötningsgrader för Skånemejerier och The Absolut Companys Avloppsvatten. Substrat Skånemejerier The Absolut Company Ymp 20 °C Anpassad Granuler 20 °C Anpassad Granuler Uppnådd metanpotentialA (% av teoretiska) 116 108 29 40 36 43 Uppnådd metanpotentialB (% av teoretiska) 122 113 31 49 44 53 Utrötningsgrad (%) 33 49 46 27 17 21 A Från teoretiska metanpotentialer beräknade enligt molmassan från Kleerbezem & van Loosdrecht-metoden. B Från teoretiska metanpotentialen på 350 Nl CH4 /kg COD. Oavsett metod för att ta fram den teoretiska metanpotentialen visar tabell 5.15 att BMPförsöken med Skånemejeriers avloppsvatten som substrat uppnår över 100 % av metanpotentialen förutom när granulerna används som ymp. Detta är orimligt och beror sannolikt på felmätningar både med avseende på BMP-försöken samt de uppmätta CODkoncentrationerna. Från resultaten för Skånemejerier är det även värt att notera att utrötningsgraderna är väldigt låga jämfört med de höga värdena på uppnådd metanpotential av den teoretiska. Resultaten för den uppnådda metanpotentialen när granulerna används som ymp ger låga värden samtidigt som utrötningsgraden är i samma storleksordning som för de andra ymperna. Detta skulle kunna bero på att andra ämnen som till exempel koldioxid bildas vid nedbrytningen av organiskt material istället för metan. Resultaten för The Absolut Companys uppnådda metanpotentialer anses vara mer rimliga. Metanpotential enligt karaktäriseringens beräknade andelar Genom att bestämma andelarna kolhydrater, protein och fett kan avloppsvattnens biogasutbyte undersökas utifrån litteraturvärden på metanutbytet för respektive andel enligt ekvation 44, uträkningarna och resultaten visas i Appendix 6 C samt figur 5.21. Då andelarna från resultaten enligt Kleerebezem & van Loosdrecht-metoden ansågs orimliga utfördes beräkningarna med resultaten från Lowry och Anthrone-metoden. (44) 61 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 Uppnått metanutbyte Kolhydrater The Absolut Company Protein Experimentellt Lowry & Anthrone Experimentellt Lowry & Anthrone Fett Skånemejerier Figur 5.21 Uträknade värden på totala metanpotentialen utifrån andelarna av fett, protein och kolhydrater enligt Lowry och Anthrone-metoden samt det maximalt uppnådda experimentella metanutbytet. För både Skånemejeriers och The Absolut Companys avloppsvatten blir de uträknade värdena för metanpotentialen enligt Lowry och Anthrone-metoden och metanpotentialen för fett, kolhydrater och proteiner högre än de värden som har mätts experimentellt. Detta är rimligt då 100 % av det teoretiska värdet är mycket svårt att uppnå då satsvisa utrötningsförsök körs. Skillnaden för The Absolut Company är större än för Skånemejerier, vilket var väntat då resultaten från Lowry och Antrhone-metoden tycktes orimliga för The Absolut Company med avseende på fettinnehållet. 5.5 Resultat för hydrolyskonstanten För att avgöra hydrolyshastigheten, som anses vara det hastighetsbestämmande steget vid rötning vid låga temperaturer, beräknades hydrolyskonstanten. Den ekvation som användes var framtagen av Angelidaki et al. (2009). Vid valet om ekvationen av Angelidaki et al. (2009) eller ekvationen av Koch & Drewers (2014) skulle stå till grund för bestämningen av hydrolyskonstanten utgick denna studie från determinationskoefficienten (R 2). Determinationskoefficienten anger hur väl modellen passar till datapunkterna och har ett värde mellan noll och ett, där noll anger att funktionen inte passar till datapunkterna medan ett anger att funktionen passar väl till datapunkterna. I 70 % av fallen fick resultaten då ekvationen av Angelidaki et al. (2009) användes högst determinationskoefficient för de bestämda hydrolyskonstanterna. Generellt blev värdet på determinationskoefficienten 19 % högre då ekvationen av Angelidaki et al. (2009) användes jämfört med då ekvationen av Koch & Drewers (2014) användes. Hydrolyskonstanterna för de olika BMP-försöken kan ses i figur 5.22 samt i Appendix 6 D. 62 0,14 Kh (d-1) 0,12 0,1 BMP 1, 37 °C 0,08 BMP 1, 20 °C 0,06 BMP 2, Anpassad ymp, 20 °C 0,04 BMP 2, Granuler, 20 °C 0,02 0 Figur 5.22 De uträknade hydrolyskonstanterna från ekvationen framtagen av Angelidaki et al. (2009) för de olika BMP-försöken. I figur 5.22 kan det observeras att för både protein och kolhydrater får BMP-försök 1 utfört vid 37 °C högst hydrolyskonstant vilket stämmer väl överens med vad som förväntades, dels utifrån BMP-kurvorna över metanpotentialen och dels enligt litteraturen där det framgår att högre temperatur ger högre hydrolyskonstant (Donoso-Bravo et al., 2009). För fett, Skånemejerier och The Absolut Company är det BMP-försök 2 med granuler som ger högst hydrolyskonstant, vilket endast vore att förvänta för The Absolut Company utifrån deras BMP-kurvor över metanpotentialen. Både för fett och för Skånemejerier når BMP-försök 2 med granuler absolut lägst slutlig metanpotential. Att hydrolyskonstanten skulle vara högst för BMP-försök 2 med granuler för dessa substrat ger en indikation på att det inte är tillförlitligt att använda hydrolyskonstanten för att avgöra hur bra ett fettrikt substrat är för biogasproduktion. En trolig anledning till att BMP-försök 2 med granuler får högst hydrolyskonstant för fett och Skånemejerier kan vara att metoden som används fungerar som en cyklisk process, där värdet på summan av det relativa felet för anpassningen minimeras genom iteration. Då summan av det relativa felet används, får mätpunkter som ligger i det låga intervallet större betydelse än mätpunkter som ligger i det höga intervallet då mätpunkterna i det låga intervallet har ett större relativt fel. Detta skulle i och för sig inte behöva vara något negativt, eftersom det beskrivits tidigare att det krävs normal tillväxt av mikroorganismerna (att de inte saknar tillgång på viktiga näringsämnen) för att kunna anta första ordningens kinetik, något som endast gäller i början av rötningsprocessen. Därav skulle det eventuellt behöva utvärderas om fler punkter än de som redan tagits bort enligt 5 %kriteriet borde tagits bort. I tidigare studier, exempelvis Koch & Drewes (2014) används dock ett 1 %-kriterie (Koch & Drewes, 2014) istället för ett 5%-kriterie vilket visar på att metoden vald i denna studie är rimlig då manuell mätning av metanproduktionen ger en större mätosäkerhet. Om BMP-kurvan för fett studeras med avseende på bara de tre första punkterna så ser BMPförsök 2 med granuler ut att gå lika bra som BMP-försök 1 gjort vid 37 °C. Då det även tas 63 hänsyn till att BMP-försök 1 gjort vid 37 °C får en sigmoidal form på kurvan medan BMPförsök 2 med granuler får den klassiska metanpotential-kurvans form kan slutsatsen dras att metoden för att bestämma hydrolyskonstanten inte är anpassad till sigmoidala kurvor och därmed inte lämpar sig särskilt bra för fett. Om BMP-kurvan för Skånemejerier studeras med avseende på bara de tre första punkterna, utan lag-fas, så ser BMP-försök 2 med granuler ut att gå mycket sämre än BMP-försök 1 gjort vid 20 °C. Det bedöms därför orimligt att de båda försöken når ett så pass likt värde på hydrolyskonstanten som kan ses i figur 5.22. Något som bör nämnas är att den totala metanproduktionen, B∞, för BMP-försök 1 gjort vid 20 °C når ett värde runt 540 Nl CH4/kg VS medan BMP-försök 2 med granuler endast når ett värde på B ∞ på 160 Nl CH4/kg VS. Det är alltså mycket stor skillnad på den totala metanpotentialen för samma substrat även då hydrolyskonstanten är relativt lik. Hydrolyskonstanten ger värdet på hur fort substratet bryts ner och i samband med antagandet att hydrolysen är det begränsande steget ger hydrolyskonstanten ett mått på hur fort omvandlingen till biogas sker. Denna studie har visat att detta inte säger så mycket om hur lämpligt ett substrat är för biogasproduktion om inte den totala metanproduktionen tas i beaktande, då hydrolyskonstanten för till exempel fett och Skånemejerier i BMP-försök 2 med granuler får högst hydrolyskonstant men en väldigt låg metanproduktion. Som nämnts tidigare syftar metoden av Angelidaki et al. (2009) i större del till att bestämma den totala metanpotentialen än hydrolyskonstanten, något som också verkar stämma bättre överens med BMP-kurvorna där BMP-försök 2 med granuler når 167 Nl CH4/kg VS jämfört med det uppskattade 160 Nl CH4 /kg VS och BMP-försök 1 gjort vid 20 °C når 661 Nl CH4/kg VS jämfört med 540 Nl CH 4/kg VS. I tabell 5.16 jämförs hydrolyskonstanterna för protein, kolhydrater och fett med relevanta litteraturvärden. För protein når de högsta värdena på hydrolyskonstanten uppmätta i den här studien nästan dubbelt så höga värden som litteraturvärdena i tabell 5.16. Dock bör det nämnas att litteraturstudien i detta fall var väldigt begränsad. De höga hydrolyskonstanterna skulle kunna bero på fel i metoden eller så kan ymperna som använts i denna studie ha varit väl anpassade för att bryta ner protein. För fett och kolhydrater ligger alla värdena på hydrolyskonstanten uppmätta i studien inom intervallet från litteraturvärdena. Tabell 5.16 Litteraturvärden samt beräknade värden för hydrolyskonstanten för de olika substraten. Substrat Protein Fett Kolhydrater kh (d-1) [Gavala et al., 2003] 0,015-0,075 0,005-1,7 0,025-0,2 kh (d-1) [experimentellt] 0,073-0,13 0,043-0,10 0,075-0,13 Med andelarna kolhydrater, protein och fett från karaktäriseringen kan avloppsvattnens uträknade hydrolyskonstant jämföras med hydrolyskonstanterna för referenssubstraten vid de olika BMP-förhållandena genom en uträkning enligt ekvation 45. Då karaktäriseringen enligt Kleerebezem & van Loosdrecht-metoden gav orimliga värden på andelarna valdes Lowry och 64 Anthrone resultaten till dessa uträkningar. Resultaten visas i figur 5.23 för Skånemejerier och i figur 5.24 för The Absolut Company. 0,14 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0 Skånemejerier BMP 1, 37 °C BMP 1, 20 °C Experimentellt uppmätt Lowry & Anthrone Experimentellt uppmätt Lowry & Anthrone Experimentellt uppmätt Lowry & Anthrone Kolhydrater Lowry & Anthrone kh (d-1) (45) Fett Protein BMP 2, Anpassad BMP 2, Granuler ympymp 20 °C 20 °C Figur 5.23 Skånemejeriers hydrolyskonstant och hydrolyskonstanterna uträknade utifrån andelarna enligt Lowry och Anthrone-metoden och referenssubstraten för de olika BMPförsöken. Figur 5.23 visar att de experimentellt uppmätta värdena på hydrolyskonstanten är högre än de uträknade enligt Lowry och Anthrone andelarna och referenssubstratens hydrolyskonstanter. Detta är speciellt tydligt för BMP försök 1 vid 20 °C och för den anpassade ympen i BMP 2. De experimentellt uppmätta värdena på hydrolyskonstanterna anses vara mest rimliga i jämförelse med de uträknade hydrolyskonstanterna enligt ekvation 45. Dels eftersom andelarna enligt Lowry och Anthrone-metoden ej är särskilt tillförlitliga och dels eftersom anpassningen för att bestämma hydrolyskonstanterna utifrån fettkurvorna fungerade mycket dåligt. 65 0,14 0,12 kh (d-1) 0,1 0,08 The Absolut Company 0,06 Kolhydrater 0,04 0,02 Fett BMP 1, °C BMP 1, BMP 1, 20 20°C 37 °C BMP 2, Anpassad ymp 20°C Experimentellt uppmätt Lowry & Anthrone Experimentellt uppmätt Lowry & Anthrone Experimentellt uppmätt Lowry & Anthrone Lowry & Anthrone 0 Protein BMP 2, Granuler 20°C Figur 5.24 The Absolut Companys hydrolyskonstant och hydrolyskonstanterna uträknade utifrån andelarna enligt Lowry och Antrhone och referenssubstraten för de olika BMPförsöken. Figur 5.24 ger liknande indikationer som figur 5.23 där de experimentellt uppmätta hydrolyskonstanterna för avloppsvattnet är högre än då referenssubstratens hydrolyskonstanter multipliceras med respektive andel. Precis som nämndes ovan tycks de experimentellt uppmätta hydrolyskonstanterna mer rimliga då färre möjliga felkällor är involverade i dess bestämning. En felkälla som gäller både för Skånemejerier och The Absolut Companys resultat från figur 5.23 och 5.24 är att skillnaden mellan det experimentellt uppmätta värdet och värdet framräknat från andelarna skulle kunna bero på att referenssubstraten använda i denna studie inte var representativa. Exempelvis stämmer antagligen inte referenssubstratet för fett, vispgrädden, bra överrens med den typ av fett som förekommer i The Absolut Companys avloppsvatten, där fettet är vegetabiliskt. För Skånemejeriers avloppsvatten är grädden troligtvis ett bra referenssubstrat, vilket bekräftas då samma typ av inhibering uppstår vid rötning med granuler, vilket kan ses då deras BMP-kurvor jämförs (figur 5.15 för Skånemejerier respektive 5.19 för fett). Referenssubstratet för protein var gelatinpulver, vilket använts tidigare i litteraturen (Sanders, 2001) och härstammar från en animalisk källa. Enligt Perle et al. (1995) kan mikroorganismerna få problem med att bryta ner kaseinmicellerna från mjölk (Perle et al., 1995) vilket kan indikera att gelatinpulvret inte var det mest representativa referenssubstratet för Skånemejeriers avloppsvatten. Det kan kostateras att det är svårt att välja ett referenssubstrat som kan representera beståndsdelarna för avloppsvatten med ursprung från både animaliska och vegetabiliska källor. En annan möjlig orsak till skillnaderna mellan de experimentellt uppmätta värdena på hydrolyskonstanten och de uträknade hydrolyskonstanterna enligt referenssubstraten och andelarna från Lowry och Anthrone-metoden är att avloppsvattnet från Skånemejerier och The Absolut Company eventuellt är mer hydrolyserat vid start av BMP-försök än referenssubstraten. Detta skulle kunna innebära att hydrolyskonstanten ger ett osäkert resultat 66 på hur fort metanproduktionen sker i och med antagandet vid beräkningen att all metan som bildas kommer från material som först har hydrolyserats. För att sammanfatta ger beräkningarna av hydrolyskonstanten blandade indikationer angående hur bra metoden funkar. Det var tänkt att använda hydrolyskonstanten från de olika BMPförsöken för att utvärdera biogasproduktion med avseende på skillnaderna mellan olika driftstemperaturer, ymper och substrat. För att utvärdera hur bra anpassningen av ympen till 20-gradig temperatur har lyckats studeras figur 5.22. I figur 5.22 kan det ses att den anpassade ympen i BMP-försök 2 har fått en högre hydrolyskonstant än den icke anpassade ympen vid 20 °C i BMP-försök 1 för alla substrat förutom Skånemejeriers avloppsvatten. Detta tyder på att anpassningen har gjort ympen bättre på att röta substrat vid 20 °C. För att avgöra huruvida ett substrat är lämpligt för biogasproduktion anses metoden bristfällig då den inte tar hänsyn till den totala metanproduktionen. 5.6 Lönsamhetsberäkningar angående etablering av rötningsprocesser vid Skånemejerier och The Absolut Company Den årliga kostnaden för uppvärmning från avloppsvattnets utgående medeltemperatur till 37 °C, där priset per kWh uppskattas till 1,3 kr (Energi & Klimatrådgivningen, n.d.) visas i tabell 5.17. Tabell 5.17 Årliga kostnaden för uppvärmning från avloppsvattnets utgående medeltemperatur till 37 °C. Substrat Skånemejerier The Absolut Company T1 Medel temp. (°C) 28,3 T2 Mesofilt emp. (°C) 37 m Massflöde (ton/år) Q Energi (KJ/år) Energi (kWh/år) Pris (kr/kWh) Total kostnad (mkr/år) 394 900 1,44*1010 3 990 000 1,3 5,19 31,9 37 173 700 3,70*109 1 030 000 1,3 1,34 Utifrån tabell 5.17 ses att kostnaden för uppvärmning är mer än 5 miljoner kronor per år för Skånemejerier och runt 1,5 miljoner kronor per år för The Absolut Company. Detta talar för att driva biogasprocessen på 20 °C istället för 37 °C. Även en process vid 37 °C kan vara lönsam om mängden energi som biogasprocessen genererar är större än mängden energi det krävs att värma upp avloppsvattnet. Om så är fallet kan processen självförsörja uppvärmningen och ändå generera energi som kan användas till värmning på andra ställen i industrin. För att ta redan på hur mycket energi som kan fås ur rötningen så utförs två beräkningar med utgångspunkt i att 1 m3 metan genererar 9,67 kWh (Biogasportalen, 2011). I den första uträkningen beräknades metanproduktionen med hjälp av ett medelvärde på COD-koncentrationen bestämd från företagens egna data samt med hjälp av litteraturvärdet på den teoretiska biogasproduktionen som är 0,35 (l CH 4 /g COD) oavsett substrat, se tabell 5.18. 67 Tabell 5.18 Genererad mängd energi från de olika substraten per år, beräknat utifrån data från företagen på COD och den teoretiska biogasproduktionen som är 0,35 (l CH 4/g COD) oavsett substrat. Substrat Volym-flöde (m3/år) Metanprod. (Nm3 CH4 /år) Energi (kWh/år) 394 900 Koncentration COD (kg/m3) 2,20 Skånemejerier 304 500 2 945 000 The Absolut Company 173 700 1,13 68 650 663 800 I tabell 5.18 ses det att mängden energi som teoretiskt maximalt kan genereras av allt avloppsvatten under ett helt år är mindre än mängden energi det krävs att värma avloppsvattnet till 37 °C, detta gäller för båda avloppsvattnen. Det har även beskrivits tidigare av Khanal (2008) att tunna avloppsvatten inte kan producera tillräckligt med gas för att täcka uppvärmningen (Khanal, 2008). Resultatet ifrån tabell 5.18 visar tydligt att en biogasprocess driven vid 37 °C inte skulle vara lönsam för varken Skånemejerier eller The Absolut Company om inte ytterligare processteg så som förtjockning eller värmeväxling inkluderas. I den andra beräkningen togs metanproduktionen fram med hjälp av VS-koncentrationen hos substraten samt med hjälp av de uppmätta värdena på metanproduktionen från BMP-försöken, se tabell 5.19. Tabell 5.19 Genererad mängd energi från de olika substraten per år, beräknat utifrån experimentella värden från BMP-försöken på metanproduktionen. Substrat Volymflöde (m3/år) Konc. VS (g/l) Metanprod. (Nm3 CH4 /år) Energi (kWh/år) 1,399 Uppnådd biogasprod. (Nl CH4/g VS) 0,662 Skånemejerier 394 900 365 700 3 535 000 The Absolut Company 173 700 0,4841 0,427 35 900 347 100 Tabell 5.19 visar ett ungefärligt tal på hur mycket energi en biogasprocess skulle kunna ge företagen under ett år vid 20 °C. För Skånemejerier är värdet på hur mycket energi som kan fås ut enligt experimentella data högre än då det teoretiska värdet användes. Detta tyder på att Skånemejeriers avloppsvatten har god potential för rötning. För The Absolut Company är värdet på energin något lägre än det teoretiskt beräknade. Detta är rimligt då det teoretiska värdet är den maximala mängden biogas som skulle kunna erhållas från substratet, vilket är mycket svårt att uppnå rent praktiskt. Värt att notera är att resultaten i tabell 5.18 är baserade på COD-koncentrationen i avloppsvattnet över hela året vilket ger ett representativt värde på massflödet av organiskt material med medräknade variationer över året. Resultaten i tabell 5.19 baseras på VS koncentrationer och metanproduktioner experimentellt uppmätta i denna studie. Fördelen med resultaten från tabell 5.19 är att eftersom de är grundade på experimentella värden ger de en fingervisning om vilka resultat som är möjliga att uppnå till 68 skillnad från resultaten i tabell 5.18 som är grundade på den teoretiska biogasproduktionen på 0,35 (l CH4/g COD). Dock är de experimentella resultaten från ett begränsat och satsvist försök vilket inte heller ger helt representativa värden på en framtida kontinuerlig biogasprocess. Där av är resultaten ifrån tabell 5.18 bättre att utgå ifrån för uppskattning av möjligt energiutbyte än resultatet ifrån 5.19. En sammanfattning av resultaten i tabell 5.17-5.19 visas i figur 5.25. 4500 4000 3500 MWh/år 3000 Energi till uppvärming 2500 Teoretiskt möjlig energiprodution 2000 1500 Möjlig energiproduktion, experimentellt 1000 500 0 Skånemejerier The Absolut Company Figur 5.25 Hur mycket energi som skulle krävas till uppvärmning av avloppsvattnet, den teoretiskt möjliga energiutvinningen från substratet samt den möjliga energiutvinningen enligt experimentella data. Utifrån resonemanget att den teoretiskt möjliga energiproduktionen ger ett mer representativt värde, kommer nu detta värde att jämföras med de båda industriernas respektive energi förbrukning. Skånemejerier når en teoretiskt möjlig energiproduktion på 2 945 000 kWh/år och förbrukar årligen totalt 37 150 000 kWh. Den teoretiskt möjliga energiproduktionen framräknad i denna studie motsvarar 7,9 % av den totala energiförbrukningen. The Absolut Companys teoretiskt möjliga energiproduktion är 663 800 kWh/år och förbrukar årligen totalt 52 000 000 kWh. Den teoretiskt möjliga energiproduktionen motsvarar 1,3 % av den totala energiförbrukningen. Resultaten på hur mycket energi som kan fås ut ur biogasproduktion jämfört med den årliga energiförbrukningen skiljer sig mellan de båda företagen. För Skånemejerier skulle en effektiv biogasprocess innebära att företaget skulle kunna generera en betydande mängd energi och på så sätt kunna spara pengar. För The Absolut Company är dock andelen på hur mycket energi som skulle kunna sparas låg. Detta tyder på att företaget har en väl optimerad process med lite spill i avloppsvattnet. Ur energiåtervinningssynpunkt skulle en potentiell biogasprocess inte bidra nämnvärt till att minska den totala energiförbrukningen hos The Absolut Company. En eventuell biogasanläggning bör därför motiveras av andra faktorer, exempelvis att bidra till ett framtida hållbart samhälle med minskade utsläpp av växthusgaser 69 och organiskt material i avloppsvattnet. För båda företagen bör även kostnaden för att driva och bygga en eventuell rötningsprocess samt payback-tiden utredas vidare. Uppehållstiden framtagen från satsvisa försök kan inte direkt översättas till den uppehållstid som skulle gälla vid kontinuerliga försök. Med detta i åtanke har ändå en uppskattning gjorts utifrån BMP-försöken gjorda i denna studie. I tabell 5.20 visas uppehållstiden för en viss metanproduktion vid 37 °C samt uppehållstiden som krävs för att komma upp i samma metanproduktion vid 20 °C för kolhydrater, fett och protein. I tabell 5.20 visas även den kortaste uppehållstiden vid en viss metanproduktion för Skånemejerier och The Absolut Company vid 20 °C. Dessa uppehållstider är uppskattade för att kunna dra slutsatser om vilken storlek på reaktorn som krävs vid de olika temperaturerna. Tabell 5.20 Uppehållstiden för de olika substraten vid 20°C och 37 °C. Substrat Kolhydrater (~300 Nl CH4/kg VS) Fett (~800 Nl CH4/kg VS) Protein (~330 Nl CH4/kg VS) Skånemejerier (~520 Nl CH4/kg VS) The Absolut Company (~370 Nl CH4/kg VS) Uppehållstid vid 20 °C [d] 21 Uppehållstid vid 37 °C [d] 9 40 15 11 11 13 - 10 - För kolhydrater är uppehållstiden 2,3 gånger längre vid 20 °C och för fett 2,7 gånger längre vid 20 °C än vid 37 °C medan uppehållstiden för protein är lika lång vid 37 °C som vid 20 °C. Avloppsvattnen från Skånemejerier och The Absolut Company innehåller en blandning av kolhydrater, fett och protein. Då andelarna framtagna från karaktäriseringsmetoderna inte bedöms vara tillförlitliga kommer tyvärr inte en jämförelse med hjälp av andelarna och deras olika uppehållstider mot de uppmätta värdena för Skånemejeriers- och The Absolut Companys avloppsvatten att tillföra något till diskussionen om hur långa uppehållstider som krävs vid 20 °C jämfört med 37 °C. Däremot kan det utläsas i tabell 5.18 att Skånemejeriersoch The Absolut Companys avloppsvatten troligen innehåller mest proteiner då deras uppehållstid bäst stämmer överens med proteinernas uppehållstid vid 20 °C. En annan slutsats som kan dras är att mikroorganismerna troligtvis bättre gillar ett substrat med en kombination av kolhydrater, fett och protein då uppehållstiden för att nå en högre metanproduktion är lägre för Skånemejeriers- och The Absolut Companys avloppsvatten än för kolhydrater, fett och protein var för sig. Både Skånemejeriers och The Absolut Companys processer involverar mikroorganismer så eventuellt är avloppsvattnen redan till viss del hydrolyserade då BMPförsöken startas. Detta kan bidra till att kortare uppehållstid krävs för att röta dessa vatten än för att röta referenssubstraten. Ytterligare en observation är att det är viktigt att kontrollera hur mycket fett substratet som ska användas i biogasanläggningen innehåller, då fett är det substrat som kräver längst uppehållstid både vid 20 °C och vid 37 °C. 70 Hur stor volymsskillnaden på rötkammaren skulle bli vid 20 °C jämfört med vid 37 °C beräknas utifrån resultaten för uppehållstid från de satsvisa försöken genomförda i denna studie. Uppehållstiden är proportionell mot volymen vilket betyder att volymen på reaktorn behöver bli 2,7 gånger större vid 20 °C än vid 37 °C om substratet till största del består av fett. Detta är mycket oroande eftersom utrustning är dyr och utrymme är värdefullt hos en industri. Troligtvis är skillnaden på reaktorvolymen som krävs vid 20 °C respektive 37 °C inte lika stor hos Skånemejeriers och The Absolut Companys avloppsvatten då dessa substrat förutom fett även innehåller kolhydrater och proteiner. 71 72 6 Slutsatser Utifrån resultaten erhållna i denna studie dras slutsatsen att det skulle vara möjligt att driva en biogasprocess med avloppsvatten från Skånemejerier och The Absolut Company som substrat även om vissa aspekter bör undersökas vidare. Det har även visat sig genom lönsamhetsberäkningar att energiåtervinning är möjlig ifall rötningen sker vid 20 °C istället för 37 °C. Framförallt skulle Skånemejeriers avloppsvatten kunna generera en betydande mängd energi vid jämförelse med den årliga energiförbrukningen. För The Absolut Company är andelen på hur mycket energi som skulle kunna sparas låg. En eventuell biogasanläggning bör därför även motiveras av andra faktorer. Karaktäriseringsmetoderna visade sig inte fungera särskilt bra på den typen av substrat med tunna vatten som användes i denna studie. Men om en av metoderna skall användas i framtiden rekommenderas Lowry och Anthrone-metoden framför Kleerebezem & van Loosdrecht-metoden då resultaten utifrån Kleerebezem & van Loosdrecht-metoden blev orimliga med avseende på andelarna av fett och kolhydrater. Även om själva anpassningen av ympen gick bra gav BMP-resultaten och hydrolyskonstanterna för rötning med den anpassade ympen blandade resultat. Utifrån detta dras slutsatsen att anpassning genom att låta ympen acklimatisera sig till 20 °C under fyra veckor innan rötningen ej är nödvändigt. Hydrolyskonstanten fungerar bra för att ge en indikation på hur snabbt ett substrat bryts ned. Vid vissa betingelser exempelvis då BMP-kurvorna ej har det klassiska logaritmiska utseendet, som i de sigmoidala BMP-kurvorna för fett, fungerar dock metoden dåligt. Det faktum att hydrolyskonstanten bara ger hur snabbt substratet hydrolyseras och inte hur mycket metan som bildas gör att den inte kan anses vara den bästa parametern att titta på för att avgöra hur bra ett substrat är för biogasproduktion. 73 74 7 Rekommendationer till företagen I detta avsnitt följer en rekommendation till de två medverkande företagen. 7.1 Rekommendation till Skånemejerier Genom analys av företagets data observerades det bland annat att: - Flödet är relativt konstant, vilket är viktigt för att uppnå hög organisk belastning och vid dimensionering av en potentiell biogasprocess. - COD-koncentrationen är hög men varierar kraftigt vilket skulle kunna vara problematiskt. - pH-värdet varierar mellan 2,6 och 11,0 med ett medianvärde på 6,8. Variationerna är stora, men kommer inte nödvändigtvis påverka processens pH då inflödet av vatten är mycket mindre än rötkammarens volym. - Temperaturen är runt 28 ± 2,7 °C. Detta är något högre än den rötningstemperatur som undersöktes i denna studie vilket innebär att en högre temperatur bör undersökas. - Koncentrationen av näringsämnena varierar stort, men håller sig över tumregel-nivån för COD:N:P och C/N-kvoten. Tillsammans med de experimentella försöken för metanpotential, anses Skånemejeriers avloppsvatten vara lämpligt att använda till en biogasprocess. Även om det är svårt att dra några meningsfulla slutsatser utifrån de båda karaktäriseringsmetoderna, kan det konstateras genom BMP-försöken att vattnet har hög metanpotential; runt 600 NL/ kg VS. Utrötningsgraden blir som högst 49 %, något som indikerar att substratet är lättillgängligt för mikroorganismerna. Utifrån lönsamhetsberäkningarna framgick det att den teoretiskt möjliga energiproduktionen från Skånemejeriers avloppsvatten motsvarar 7,9 % av företagets totala energiförbrukning. Företaget skulle alltså kunna minska sin energiförbrukning nämnvärt om en effektiv biogasprocess startades upp. Det bör dock undersökas hur mycket det skulle kosta att bygga och driva en storskalig biogasprocess och hur lång exempelvis payback-tiden blir, innan ett beslut tas om huruvida etablering av biogasprocessen är aktuellt. Till en framtida biogasprocess rekommenderar vi, baserat på BMP-kurvornas utseende, hydrolyskonstanten och lönsamhetsberäkningarna att rötningen drivs vid en temperatur lägre är 37 °C med ymp från Sjölunda reningsverk eller en liknande anläggning. Denna typ av ymp rekommenderas eftersom granulerna uppvisade stora problem vid rötning av Skånemejeriers avloppsvatten och anpassningen av ympen gav ingen större förbättring. Utifrån de data som erhållits är det svårt att säga något om hur pH-värdet på avloppsvattnet påverkar pH-värdet i biogasprocessen eftersom inflödet är mycket mindre än reaktorns volym. Eventuellt bör en bufferttank installeras för att undvika att inflödet har för högt eller för lågt pH. Ytterligare undersökningar bör dock göras där beräkningar av hur mycket värme som avgår från vattnet i en eventuell bufferttank skulle kunna genomföras för att se vilken temperatur vattnet in i biogasprocessen faktiskt skulle ha. Rötningen vid denna temperatur bör då undersökas. Resultaten utifrån BMP-kurvorna och hydrolyskonstanterna för referenssubstraten, indikerar att metanproduktionen går snabbare vid högre temperaturer. En framtida biogasprocess bör 75 därav drivas vid en temperatur som är så hög som möjligt utan att vattnet behöver värmas då lönsamhetsberäkningen visade att det inte gick att få ut mer energi ur biogasen än vad som skulle krävas för uppvärmning till 37 °C då ingen förtjockning eller värmeväxling av vattnet inkluderas. Förutom att ytterligare undersöka temperaturen bör även kontinuerliga försök på pilotanläggning genomföras innan projekteringen av biogasanläggningen startar, för att bättre undersöka pH, uppehållstid, omrörning, organisk belastning och metanpotential vid kontinuerligt försök. För att en framtida biogasanläggning ska kunna bli effektiv rekommenderas en kontinuerlig process där det inte finns risk för att mikroorganismerna spolas ut, till exempel ett system med immobiliserade mikroorganismer (attached growth system) eller en anaerob membranbioreaktor. 7.2 Rekommendation till The Absolut Company För The Absolut Companys avloppsvatten gjordes följande observationer utifrån företagets data: - Flödet är konstant förutom några större dippar i anslutning till ned- och upptrappning av produktionen i samband med sommaruppehåll. - COD-koncentrationen är relativt låg med hög standardavvikelse. De låga CODkoncentrationerna resulterar i låg metanproduktion. - pH-medelvärdet på ca 9 sjunker efter ett par dagars väntan till ca 7,5. Det inkommande pH-värdet på avloppsvattnet har dock inte nödvändigtvis stor inverkan på processens pH. - Temperaturen är ca 32 ± 4,6 °C. Detta är något högre än den rötningstemperatur som undersöktes i denna studie, men lägre än optimal temperatur för mesofil rötning. - Koncentrationen av näringsämnen varierar stort; det finns enligt tumregeln på 250:5:1, för COD:N:P, risk för kvävebrist vid etablering av en rötningsprocess. Från dessa observationer tillsammans med resultaten från BMP-försöken, dras slutsatsen att The Absolut Companys avloppsvatten går att använda som substrat till en biogasprocess. De experimentella värdena uppvisade en metanproduktion på runt 400 NL/kg VS. Resultaten från karaktäriseringarna gav däremot orimliga värden på 190 % fett eller 75 % fett vilka båda är orimliga då råvaran för att tillverka Absolut Vodka är vete. The Absolut Companys avloppsvatten har låg VS-koncentration vilket innebär att metanproduktionen inte kommer kunna bli särskilt hög vid drivandet av en biogasprocess. Dessutom var utrötningsgraden låg, vilket indikerar att substratet ej var lätt för mikroorganismerna att bryta ned. Metanproduktionen blir relativt låg och kan endast generera 1,3 % av den totala energiförbrukningen. Därför bör det undersökas hur mycket det skulle kosta att bygga och driva en storskalig biogasprocess och hur lång exempelvis payback-tiden blir, innan ett beslut om huruvida det är lönsamt tas. Att bygga en egen biogasprocess skulle innebära att The Absolut Company slipper riskera att överskrida gränsvärden på vad avloppsvattnet får innehålla och då måste betala till reningsverk för att få vattnet renat. Samtidigt ger det en möjlighet att generera en mindre mängd energi som kan användas inom företaget. 76 Om en framtida biogasanläggning ska byggas rekommenderas att granulerna från BMPförsök 2 används som ymp. Denna ymp gav högst metanproduktion samt hydrolyskonstant. För att låta pH sjunka till det lägre medelvärdet på 7,5 innan det pumpas vidare till processen skulle en bufferttank kunna installeras där vattnet kan hållas kvar ett tag. Det bör dock nämnas att det pH som avloppsvattnet har när det kommer in i biogasprocessen inte nödvändigtvis motsvarar det pH som biogasprocessen håller och behöver inte ha så stor påverkan. Ytterligare utredningar krävs för att avgöra huruvida en bufferttank är nödvändig. Vattnet bör även rötas vid en temperatur som är lägre än 37 °C då det visade sig i lönsamhetsberäkningarna att det skulle kosta mer energi att värma upp vattnet till 37 °C än vad som går att få ut genom att röta det. Rötningens temperatur bör undersökas då tidigare forskning samt resultaten i denna studie, utifrån BMP-kurvorna och hydrolyskonstanterna för referenssubstraten, indikerar att metanproduktionen går snabbare vid högre temperaturer. En framtida biogasprocess bör därför drivas vid en temperatur som är så hög som möjligt utan att vattnet behöver värmas. Förutom att ytterligare undersöka temperaturen bör även kontinuerliga försök på pilotanläggning genomföras för att bättre undersöka pH, uppehållstid, omrörning, organisk belastning och metanpotential. För att uppnå en effektiv biogasproduktion rekommenderas en kontinuerlig process där det inte finns risk för att mikroorganismerna spolas ut, till exempel ett system med immobiliserade mikroorganismer eller en anaerob membranbioreaktor. Då VS-koncentrationen i avloppsvattnet var låg skulle även undersökningar om huruvida förtjockning av avloppsvattnet är ett möjligt alternativ för att höja VS-koncentrationen kunna undersökas. En alternativ metod för att höja VS-halten skulle kunna vara att blanda in drank i avloppsvattnet. Detta bör då vägas mot den nuvarande inkomsten vid försäljning av dranken som djurfoder. Dock bör det nämnas att dranken kan innehålla höga halter av protein vilket kan leta till ansamling av ammoniak i rötkammaren. 77 78 8 Framtida studier Till framtida studier bör karaktäriseringsmetoderna ses över då det i denna studie visade sig att: - Lowry och Anthrone-metoden ger protein och kolhydrater direkt, vilket är bra. Även att protein och kolhydrater bestäms oberoende från varandra är positivt. Däremot bör en ytterligare metod för att bestämma fettkoncentrationen inkluderas för att undvika att fetthalten blir för hög på grund av att den antas vara resten av det organiska materialet (VS). - Kleerebezem & van Loosdrecht-metoden gav mycket orimliga värden på andelarna. Resultaten utifrån Dr Lange analyserna anses vara tillförlitliga, detta gör att rekommendationen blir att undersöka hur väl 5-punktstitreringen och datorprogrammet enligt Moosbrugger et al. (1992) bestämmer karbonat- och VFA alkaliniteten. Ett förslag är att förutom 5-punktstitreringen genomföra en 2punktstitrering för att jämföra de båda resultaten. Det hade också varit intressant att genomföra en känslighetsanalys av metoden där värdena på parametrarna ökades stegvis för att se hur resultaten förändrades. Ett möjligt sätt att verifiera resultatet på andelarna från Lowry och Anthrone-metoden och Kleerebezem & van Loosdrecht-metoden är att genomföra försök på referenssubstrat med redan kända andelar av fett, kolhydrater och protein. Till framtida studier rekommenderas inte, utifrån BMP-försöken och de uträknade hydrolyskonstanterna, att en ymp anpassas till den lägre temperaturen innan rötning vid 20 °C. Till framtida studier som ska röta industriellt avloppsvatten rekommenderar vi att det genomförs en grundlig karaktärisering (med en metod som fungerar väl) för att få reda på vad substratet innehåller och att det därefter väljs en ymp som är lämplig till detta substrat. Exempelvis noterades det i denna studie att granulerna var bra till kolhydratreferensen men inte till referenssubstratet med fett. I framtida studier behövs även en vedertagen metod för att bestämma hydrolyskonstanten i satsvisa försök utvecklas vidare för att standardisera vilken metod som bör användas; Angelidaki et al. (2009) eller Koch & Drewers (2014). Denna studie visade även att metoden för bestämmandet av hydrolyskonstanten endast fungerar bra då BMP-kurvorna har det klassiska logaritmiska utseendet, för exempelvis de sigmoidala BMP-kurvorna för fett, fungerar metoden mycket dåligt och bör bli mer omfattande. Den metod, med det relativa felet, som använts i denna studie för att bestämma hydrolyskonstanten resulterar i att de första punkterna får mycket stor betydelse, därav skulle vi rekommendera att gasproduktionen i framtida försök mäts varje dag den första veckan för att få ett mer tillförlitligt utseende på kurvan. 79 Det saknas data i litteraturen angående den typ av tunna avloppsvattnen som har undersökts i den här studien. Mer forskning behövs för att i framtiden bättre kunna utvärdera potentiell energiåtervinning hos företag inom livsmedelsbranschen. 80 9 Referenser Abbasi, T., Tauseef, S. M., & Abbasi, S. A. (2012). Biogas Energy. Springer. Ammary, B. Y. (2004). Nutrients requirements in biological industrial wastewater treatment. African Journal of Biotechnology, 3(4), 236–238. Angelidaki, I., Alves, M., Bolzonella, D., Borzacconi, L., Campos, J. L., Guwy, A. J., Kalyuzhnyi, S., van Lier, J. B. (2009). Defining the biomethane potential (BMP) of solid organic wastes and energy crops: a proposed protocol for batch assays. Water Science and Technology : A Journal of the International Association on Water Pollution Research, 59(5), 927–34. doi:10.2166/wst.2009.040 Angelidaki, I., & Sanders, W. (2004). Assessment of the anaerobic biodegradability of macropollutants. Reviews in Environmental Science and Bio/Technology, 3(2), 117–129. doi:10.1007/s11157-004-2502-3 Bandara, W., Kindaichi, T., Satoh, H., Sasakawa, M., Nakahara, Y., Takahashi, M., & Okabe, S. (2012). Anaerobic treatment of municipal wastewater at ambient temperature: Analysis of archaeal community structure and recovery of dissolved methane. Water Research, 46(17), 5756–64. doi:10.1016/j.watres.2012.07.061 Biogasportalen. (2011). Biogasportalen. Retrieved May 07, 2014, from http://www.biogasportalen.se/FranRavaraTillAnvandning/VadArBiogas/Energiinnehall Bitton, G. (2011). Wastewater Microbiology (Fourth edi., pp. 409–436). Gainesville, FL: Wiley-Blackwell. Brown, A. M. (2001). A step-by-step guide to non-linear regression analysis of experimental data using a Microsoft Excel spreadsheet. Computer Methods and Programs in Biomedicine, 65(3), 191–200. Retrieved from http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/11339981 Buswell, E. G., & Neave, S. L. (1930). Laboratory studies of sludge digestion. Illinois Division of State Water Survey, 30. Carlsson, M., & Schnürer, A. (2011). Rapport U2011:12 Handbok Metanpotential, Afall Sverige Chen, Y., Cheng, J. J., & Creamer, K. S. (2008). Inhibition of anaerobic digestion process: a review. Bioresource Technology, 99(10), 4044–64. doi:10.1016/j.biortech.2007.01.057 Davidsson, Å., Lövstedt, C., la Cour Jansen, J., Gruvberger, C., & Aspegren, H. (2008). Codigestion of grease trap sludge and sewage sludge. Waste Management, 28(6), 986–992. doi:10.1016/j.wasman.2007.03.024 Donoso-Bravo, A., Retamal, C., Carballa, M., Ruiz-Filippi, G., & Chamy, R. (2009). Influence of temperature on the hydrolysis, acidogenesis and methanogenesis in mesophilic anaerobic digestion: parameter identification and modeling application. 81 Water Science and Technology : A Journal of the International Association on Water Pollution Research, 60(1), 9–17. doi:10.2166/wst.2009.316 Energi & Klimatrådgivningen. (n.d.). Energi & Klimatrådgivningen. Retrieved May 07, 2014, from http://www.energiradgivningen.se/foretag/energipriser Gavala, H., Angelidaki, I., & Ahring, B. (2003). Kinetics and Modeling of Anaerobic Digestion Process. Advances in Biochemical Engineering/Biotechnology, 81, 58–93. Gujer, W., & Zehnder, A. J. B. (1983). Conversion Processes in Anaerobic Digestion. Water Science & Technology, 15, 127–167. Hansen, T. L., Schmidt, J. E., Angelidaki, I., Marca, E., Jansen, J. L. C., Mosbaek, H., & Christensen, T. H. (2004). Method for determination of methane potentials of solid organic waste. Waste Management (New York, N.Y.), 24(4), 393–400. doi:10.1016/j.wasman.2003.09.009 Hansson, M. (2014). [Konversation] Diskussion angående pH på The Absolut Companys avloppsvatten. Hassan, A. N., & Nelson, B. K. (2012). Invited review: anaerobic fermentation of dairy food wastewater. Journal of Dairy Science, 95(11), 6188–203. doi:10.3168/jds.2012-5732 Jarvis, Å., & Schnürer, A. (2009). Mikrobiologisk handbok för biogasanläggningar (p. Svenskt Gastekniskt Center, SGC207). Jonstrup, M., Murto, M., & Björnsson, L. (2011). Environmental Biotechnology, KBT080 (p. Course material, Department of Biotechnology, LTH). Khanal, S. K. (2008). Anaerobic Biotechnology for bioenergy Production: Principles and applications. Wiley-Blackwell. Kjerstadius, H. (2014). [Konversation] Diskussion angående driftstopp i anaeroba processer. Kleerebezem, R., & van Loosdrecht, M. C. M. (2006). Waste characterization for implementation in ADM1. Water Science & Technology, 54(4), 167. doi:10.2166/wst.2006.538 Koch, K., & Drewes, J. E. (2014). Alternative approach to estimate the hydrolysis rate constant of particulate material from batch data. Applied Energy, 120, 11–15. doi:10.1016/j.apenergy.2014.01.050 Lantz, M. (2013). Biogas in Sweden: Opportunities and challenges from a systems perspective. Lunds University Faculty of Engineering. Moletta, R. (2005). Winery and distillery wastewater treatment by anaerobic digestion. Water Science and Technology, 51(1), 137–144. Retrieved from http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/15771109 82 Moosbrugger, R., Wentzel, M., Ekama, G., & Marais, G. (1992). Simple titration procedures to determine H2CO3 alkalinity and short-chain fatty acids in aqueous solutions containing known concentrations of ammonium, phosfate and sulphide weak acid/bases. Cape Town. Naturvårdsverket. (2009). Naturvårdsverket. Retrieved March 15, 2014, from http://utslappisiffror.naturvardsverket.se/Om-Utslapp-i-siffror/Naturvardsverket/ Naturvårdsverket. (2010). Naturvårdsverket. Retrieved March 15, 2014, from http://utslappisiffror.naturvardsverket.se/Amnen/Andra-amnen/Kemisk-syreforbrukningCOD-Cr/ Orhon, D., Gorgon, E., Germirli, F., & Artan, N. (1993). Biological Treatability of Dairy Wastewaters. Water Research, 27(4), 625–633. Perle, M., Kimchie, S., & Shelef, G. (1995). Some Biochemichal Aspects of the Anaerobic Degradation of Dairy Wastewater. Water Research, 29(6), 1549–1554. Reith, J. H., Wijffels, R. H., & Barten, H. (2003). Bio-hydrogen. Sanders, W. T. M. (2001). Anaerobic hydrolysis during digestion of complex substrates. Wageningen Universieit. Sigge, G. O., Gie, L.-M., & Britz, T. J. (2008). Improving the biodegradability of grain distillery wastewater for use as UASB substrate by combinations of ozonation/enzymatic pre-treatments. Water Science and Technology : A Journal of the International Association on Water Pollution Research, 57(4), 547–52. doi:10.2166/wst.2008.050 Smith, A. L., Skerlos, S. J., & Raskin, L. (2013). Psychrophilic anaerobic membrane bioreactor treatment of domestic wastewater. Water Research, 47(4), 1655–65. doi:10.1016/j.watres.2012.12.028 Tian, Z., Chauliac, D., & Pullammanappallil, P. (2013). Comparison of non-agitated and agitated batch, thermophilic anaerobic digestion of sugarbeet tailings. Bioresource Technology, 129, 411–20. doi:10.1016/j.biortech.2012.11.056 Vahlberg, C., Nordell, E., Wiberg, L., & Schnürer, A. (2013). Rapport U2013:05 Metod för korrigering av VFA-förlust vid bestämning av torrhalt i biomassa, Afall Sverige. Van Lier, J. B., Mahmoud, N., & Zeeman, G. (2008). Biological Wastewater Treatment, kap 16. (M. Henze, M. C. M. van Loosdrecht, G. A. Ekama, & D. Brdjanovic, Eds.) (pp. 415–456). London, UK: IWA publishing. Wiesenburg, D. A., & Guinasso, N. L. (1979). Equilibrium Solubilities of Methane, Carbon Monoxide, and Hydrogen in Water and Sea Water. Journal of Chemical and Engineering Data, 24(4), 356–360. 83 84 Appendix 1 - Analysis for Proteins and Humic compounds (modified Lowry method) Detta metodprotokoll för Lowrymetoden används vid VA-teknik på Lunds Tekniska Högskola. Kemikalier och utrustning är specifikt för denna studie. A. Metodbeskrivning (VA-teknik, LTH) This method measures proteins and Humic compounds using a modified Lowry method (Lowry et al., 1951). For proteins the method has been modified by Frølund et al. (1996) (who in turn modified from Raunkjær et al. 1994). For Humic compounds the method has been modified by Frølund et al. (1995). The Lowry method is a colometric method which measures the color development between the reagent (folin reagent) and proteins or humic compounds. Cu 2+ is reduced to Cu0 while it forms complexes with peptides (peptides are molecules consisting of amino acids linked together with peptide-bonds). In an alkaline solution the peptide bonds are hydrolyzed, which furthers reduces Cu2+, and in turns reduces the Folin reagent. The reduction of the reagent gives the solution a blue color development which can be measured spectrophotometrically. The produced color is dependent on what amino acids the proteins were built up of why different results will be given depending what protein is used as a reference. Since proteins and humic compounds both gives a color development the method has been modified to separate between the two. This is done by preparing two versions of each sample, one that includes Cu-solution (CuSO 4) added and one without Cu-solution. When Cu-solution is omitted the color development is due to humic compounds and chromogenic amino acids according to Frølund et al. 1995. Thus the difference can be calculated after measuring the absorbance for both samples. Further interesting notes: according to Frølund et al. 1995 the color development for BSA is decreased to 20% when omitting Cu-solution but no decrease was seen for humic acid reference. Furthermore the modified Lowry method (when omitting results for Humic compounds) is supposed to correlate to raw protein determination based on the N-content according to Frølund et al. (1995). Chemicals: - NaOH Na2CO3 CuSO4 *5H2O (Copper(II)sulfate pentahydrate) Na-tartrate (Tartaric acid, Sigma T6521) Folin-Ciocalteu’s phenol reagent (Order from?) Reference: Bovine Serum Albumin (BSA) for protein. Reference: Humic acid (for Humic substances). (Jansen Chemica 12.086.58) 85 Equipment: - Pipette - Spectrophotometer - Cuvettes for spectrometer Method: 1) Prepare the BSA-reference: Pre-made BSA-solutions is normally stored in freezer. Take out or prepare tubes with 1000 mg BSA/L dH 2O. (Assuming that the solution have a density of 1g/mL we get that 1000mg BSA /L = 1000 ppm) Mix the frozen BSA with dH2O to get a 100 ppm solution (1 mL BSA at 1000mg/L + 9 mL dH2 O) Prepare 5 mL each of the following standard solutions: Standard solution concentration (ppm) 0 2.5 5 10 25 50 (100) if needed Volume of 100 ppm BSA-solution needed (µL) 0 250 250 500 1333 2500 (5000) Volume of dH2O needed (µL) 5000 9750 4750 4500 3666 2500 0 Comment Used as blank! - 2) Prepare the Humic acid reference: Humic acid (HumAc) is normally stored in the fridge. Note that each batch of Humic Acid always have different concentration! (Assuming that the HumAc has a concentration of 66% and the solution have a density of 1g/mL we get that 1000mg HumAc /L = 1000 ppm) Mix the HumAc with dH2O to get a 100 ppm solution (X mL HumAc at 1000mg/L + X mL dH2O) Prepare 5 mL each of the following standard solutions: 86 Standard solution concentration (ppm) 0 2.5 5 10 25 50 (100) if needed Volume of 100 ppm HumAc-solution needed (µL) 0 250 250 500 1000 2000 (4000) Volume of dH2O needed (µL) 5000 9750 4750 4500 3000 2000 0 Comment Used as blank! - 3) Prepare the following solutions: Solution name Solution 1 – Reagent A Solution 2 – Reagent B Solution 3 – Reagent C Cu-solutionReagent D Non-Cusolution – Reagent E Dilute Folinreagent – Reagent F Contains 143 mM NaOH (5 720 mg/L) and 270 mM Na2CO3 (28 617 mg/L) and dH2O 57 mM CuSO4 (9 098 mg/L) and dH2O 124 mM Na2C4H4O6 (Sodium tartrate) (24 062 mg/L) and dH2O A mix of solutions 1, 2 and 3. Ratio 100:1:1 by volume for solution 1:2:3. A mix of solutions 1, 3 and dH2O. Ratio 100:1:1 by volume for solution 1:2:dH2O. Folin reagent with 5:6 ratio to distilled water Volume to be prepared (mL) 1000 mL (5.72g NaOH + 28.571g Na2CO3 + dH2O to reach 1000 mL) Can it be stored? In fridge for 1 month. 50 mL (0.7143g CuSO4*5H2O) + dH2O to reach 1000 mL) 50 mL (1.4286g Na-tartrate + dH2O to reach 1000 mL) In fridge for 1 month. 100mL (enough for 50 samples incl. standards) Has to be done at the day of the analysis 100mL (enough for 50 samples incl. standards) Has to be done at the day of the analysis 11 mL (5mL Folin + 6mL dH2O) (enough for 50 samples incl. standards) Has to be done at the day of the analysis In fridge for 1 month. 4) The analysis a. Prepare 4 test tubes for each determination. (2 for analysis with Cu-solution (D) and 2 for analysis with non-Cu-solution (E). 87 b. Add 500 µL reference/sample (well homogenized) to each test tube (if the samples have been frozen they need to be homogenized carefully). c. Add 700 µL of Cu-solution (D) to two of the test tubes. Then add 700 µL of non-Cu-solution (E)to the two other test tubes. NOTE: Reference solutions for Humic compounds is prepared only with the non-Cu-solution (E) while reference solutions for protein demands both. d. Mix the samples carefully (put the test tube on the mixing machine). e. Add 100 µL of the “Dilute folin reagent” to the solution and quickly close the test tube and whirly mix for a very short time (using the mixing machine). f. Pour the samples in the micro-cuvettes used for spectrophotometry. Let the samples rest for 45 minutes. g. Start the spectrophotometer. Read the absorbance at 750 nm, zero the machine using the blanks (dH 2O samples). Read the absorbance for the references and samples (N.B.! Measure in the same order as the samples were prepared!). Mark the results from reference/sample with Cu-solution as [sample name]ABStotal. Mark the results from reference/sample with non-Cu-solution as [sample name]ABSblind. 88 Data processing general information: The following relationships are used in the calculations: ABStotal = Total absorbance for sample with Cu-solution. Measured. ABSBlind = Total absorbance for sample with non-Cu-solution. Measured. ABSHumus = Absorbance from Humic compounds. Calculated. ABSProtein = Absorbance from protein. Calculated. ABStotal = ABSProtein + ABSHumus ABSHumus = ABSBlind - 0.2*ABSProtein (see description, only 20% coloration with non-Cusolution) Data processing for proteins (in Excel): 1) Plot the references values as a graph using the concentration of the sample (in ppm) on the y-axis and the ABStotal on the X-axis. Add a line of regression (with a 0,0-intercept i.e. going through origo). 2) From the equation of the line of regression, calculate the concentration of protein according to the following: ABSPROTEIN = 1.25*(ABStotal – ABSBlind) The answer is in ppm (which equals mg/L due to the assumption stated above). Data processing for Humic compounds (in Excel): 1) Plot the references values as a graph using the concentration of the sample (in ppm) on the y-axis and the ABSblind on the X-axis. Add a line of regression (with a 0,0-intercept i.e. going through origo). 2) From the equation of the line of regression you can calculate the concentration of humic compounds(ABS HUMUS) according to the following: ABSHUMUS = ABStotal – ABSPROTEIN You get the answer in ppm (which equals mg/L due to the assumption stated above). B. Kemikalier och utrustning De olika kemikalierna och utrustingen som användes i Lowry metoden. Kemikalier: - NaOH, Merck 1.06462.5000, Sodium hydroxide Na2CO3 , Merck 1.0632.,1000, Sodium hydrogen carbonate CuSO4 *5H2O, Merck 1.02791.0250, Copper(II)sulfate anhydrous Na-tartrat, Merck 1.06664.0100, Sodium tartate dihydrate Folin-Ciocalteu’s phenol reagent, Sigma-Adrich 89 - Reference: Bovine Serum Albumin (BSA) for protein, ICN Biomedicals Utrustning: - Automat pipett Spectrophotometer, HITACHI spectrophotometer Model 100-20 Kyvetter till spektrofotometern i plast Provrör i glas 90 Appendix 2 - Analysis for Carbohydrates (Anthrone method modified by Raunkjær et al. (1994)) Detta metodprotokoll för Anthronemetoden används vid VA-teknik på Lunds Tekniska Högskola. Kemikalier och utrustning är specifikt för denna studie. A. Metodbeskrivning (VA-teknik, LTH) This method measures concentration of carbohydrates by measuring poly- and monosaccharides which is then assumed to compromise the bulk of the carbohydrates present. The method is originally described by Gaudy (1962) and modified by Raunkjær et al. (1994). The anthrone method is a colometric method and is based on the hydrolysis and subsequent reaction of carbohydrates with strong acid and following complex formation with anthrone (used as a color developing reagent) which gives the solution a green color. The color is formed when polysaccharides are hydrolyzed by the strong acid to monosaccharides which are in turn dehydrated to furfural derivatives reacting with anthrone (Raunkjær et al. 1994). The color intensity of this complex is proportional to the concentration of polysaccharides. Chemicals: - Reference: Glucose (we use D(+)-Glucose, VWR 1.08337.0250) - Concentrated H2 SO4 (˃95% concentration) - Anthrone (We use 97%, SIGMA: 319899) Equipment: - Spectrophotometer - Cuvettes for spectrometer (plastic) - Glass Test tubes (heat resistant) Method: 1) Start Water bath at 100 °C. 2) Prepare or check that you have 2mL tubes with glucose solution in the freezer. They should be 1000 mg glucose/L dH 2O. (Assuming that the solution have a density of 1g/mL this gives 1000mg glucose/L = 1000 ppm) Mix the glucose solution with dH2O to get 10 mL of 100 ppm solution (1 mL glucose at 1000mg/L + 9 mL dH2O) and prepare 5 mL each of the following standard solutions: 91 Standard solution concentration (ppm) 0 2.5 5 10 25 50 (100) if needed Volume of 100 ppm glucose-solution needed (µL) 0 250 250 500 1000 2000 (4000) Volume of dH2O needed (µL) 5000 9750 4750 4500 3000 2000 0 Note: The standard curve is linear to 200 ppm (according to previous lab notes in Aalborg). 3) Prepare the following reagents: a. Blank sample (Reagent B – 5mL needed per analysis) : 27.5 mL dH 2O is mixed with 472.5 mL H2 SO4 (can be prepared in advance and kept in fridge) b. Anthrone mixture (Reagent A – 2mL/sample needed) (must be made the same day as the measurement): 0,125% (w/v) anthrone to 94,5% (v/v) H 2SO4 + dH 2O For example: 27.5 mL dH2O is mixed with 472.5 mL H 2SO4 and then 0.625 g of anthrone is added. The anthrone must be added while the solution is hot. 4) Prepare triplicates of 1.5ml blanks in test tubes. Prepare duplicates of 0.5 mL of each reference solution + 1 mL of the above anthronereagent in test tubes. Prepare duplicates of 1 mL of sample in 2 mL of the above anthrone-reagent. Use Vortex mixer to mix them. 5) Heat all samples and blanks at 100°C for 14 minutes using water bath. 6) Cool it at 4°C for 5 minutes using iced water. Pour the samples in to spectrophotometer cuvettes. 7) Start the spectrophotometer. Zero the machine with dH 2O. Read the absorbance of all references and samples at 625 nm. Data processing (in Excel): 1) Subtract the average value of the blanks from all measurements. 2) Plot the references values (concentration in ppm on x-axis and absorbance on y-axis) and add a line of regression (with a 0,0-intercept i.e. going through origo). From the equation of the line of regression you can calculate the concentration of carbohydrates in your sample. 92 B. Kemikalier och utrustning De olika kemikalierna och utrustingen som användes i Anthrone metoden. Kemikalier: - Reference lösning: Glucose D(+) Glucose, VWR 1.08337.0250 - Svavelsyra H2SO4 98%, Merck:1.12080.1000 - Anthrone, C14H10O, 97%, SIGMA: 319899 Utrustning: - Spektrofotometer, HITACHI spectrophotometer Model 100-20 Kyvetter till spektrofotometern i plast Provrör i glas med plast lock Kokplatta med kastrull för kokning 93 94 Appendix 3 – Övriga material och metoder A. Dr LANGE-tester De olika HACH LANGE-testerna som används visas i tabell 1. Tabell 1 De olika HACH LANGE testerna. Test COD TOC Ntot Amn-N NO3-N NO2-N Ptot Sulfat Intervall (mg/l) 150-1000 2-65 1-16 2-47 0,23-13,5 0,015-0,6 0,5-5 40-150 Matrial nr LCK 114 LCK 380 LCK 138 LCK 303 LCK 339 LCK 341 LCK 348 LCK 153 B. Substrat till BMP-försök De olika substraten för fett, protein och kolhydrat som användes till BMP-försöken visas i tabell 2. Tabell 2 Märken av de olika referenssubstraten som användes i BMP-försöken. Substrat Grädde Märke Garant Vispgrädde (40%) Gelatin Favorit Gelatinpulver Celluolosa 50 % Avicel PH-101, Fluka 50 % Cellulose Powder microcrystalline, MP Biomedicals 95 96 Appendix 4 – Uppstart BMP-försök Hur mycket substrat och ymp som tillsattes beräknades fram med hjälp av ekvation A.1 och A.2 utifrån att förhållandet mellan VS-halterna på ymp och substrat skulle vara . (A.1) (A.2) De olika volymerna/massorna som tillsattes till de olika flaskorna av ymp respektive substrat för BMP-försök 1 och 2 kan ses i tabell 3 och 4. Tabell 3 De olika volymerna/massorna som tillsattes till de olika flaskorna av ymp respektive substrat i BMP-försök 1. Typ av prov Blank Fett Protein Kolhydrater Skånevatten Absolutvatten V ymp (g) Volym/massa substrat (g) 0 6 3 3 778 940 500 494 500 500 222 60 97 Tot volym/massa (g) 500 500 500 500 1000 1000 Tabell 4 De olika volymerna/massorna som tillsattes till de olika flaskorna av ymp, substrat och vatten i BMP-försök 2. Typ av prov Blank Anpassad Fett Anpassad Protein Anpassad Kolhydrater Anpassad Skånevatten Anpassad Absolutvatten Anpassad Blank Granuler Fett Granuler Protein Granuler Kolhydrater Granuler Skånevatten Granuler Absolutvatten Granuler V ymp (g) 501 491 500 500 122 63 Volym/massa substrat (g) 0 9 4 4 878 937 Volym/massa vatten (g) 0 0 0 0 0 0 Tot volym/massa (g) 501 500 500 500 1000 1000 135 135 135 135 44 20 0 8 4 3 959 980 365 357 365 165 0 0 500 500 500 500 1003 1000 98 Appendix 5 - Hämtning av prover Avloppsvattnen som användes vid de olika analyserna hämtades och förvarades enligt tabell 5. Tabell 5 Typ av prov och hur länge proverna förvarades innan de olika experimenten genomfördes. Analys Lowrymetoden Anthronemetoden Kleerebezem & van Loosdrecht (Dr Lange & 5punkts titrering) Kleerebezem & van Loosdrecht (TOC- analysator 1) Kleerebezem & van Loosdrecht (TOC-analysator 2) BMP-försök 1 BMP-försök 2 Skånemejerier Stickprov Förvarades ett dygn i kylrum 8 °C DygnsmedelvärdesprovA Förvarades ett dygn i kylrum 8 °C Stickprov Förvarades ett dygn i kylrum 8 °C DygnsmedelvärdesprovA Förvarades tre dygn i kylrum 8 °C DygnsmedelvärdesprovA Förvarades två dygn i kylskåp 8 °C DygnsmedelvärdesprovA Förvarades 0 dygn DygnsmedelvärdesprovA Förvarades 0 dygn A The Absolut Company Stickprov Förvarades ett dygn i kylrum 8 °C VeckomedelvärdesprovB Förvarades sex veckor i frys -18 °C Stickprov Förvarades ett dygn i kylrum 8 °C VeckomedelvärdesprovB Förvarades fyra dygn i kylrum 8 °C VeckomedelvärdesprovB Förvarades sex veckor i frys -18 °C VeckomedelvärdesprovB Förvarades 0 dygn VeckomedelvärdesprovB Förvarades ett dygn i kylrum 8 °C (VeckomedelvärdesprovB som förvarades sex veckor i frys -18 °C) 30 ml prov uttaget var 10:de minut. Proportionellt uttaget mot flödet. Vid ett flöde på 20 m3 /h erhålls 10 l uttaget prov per vecka. B 99 100 Appendix 6 - Resultat A. Resultat från Lowry och Anthrone Standardkurvan från den modifierade Lorwy metoden visas i figur 1. Ekvationen för den linjära anpassningen visas i ekvation A.3. 0,25 Absorbans 0,2 0,15 0,1 Lowry, standardkurva Linjär (Lowry, standardkurva) 0,05 R² = 0,9984 0 0 20 40 60 80 100 120 Koncentration (mg/l) Figur 1 Standardkurvan enligt Lowry-metoden med linjär anpassning. (A.3) Utifrån de uppmätta absorbanserna, tabell 6, beräknas proteinkoncentrationerna. Tabell 6 De olika provernas spädningsfaktor, absorbans och proteinkoncentration. Prov Skånemejerier The Absolut Company Spädningsfaktor 5 1 Absorbans 0,19 0,14 Proteinkoncentration (mg/l) 500 71 Standardkurvan för Anthrone metoden visas i figur 2. Till standardkurvan gjordes, förutom de mätpunkter som visas i figur 2, även en extra mätning på 100 mg D-glukos/l ifall absorbansen på substraten skulle bli hög. Då ingen av substratens absorbanser låg inom det höga området användes inte den punkten i standardkurvan. 101 0,4 0,35 Absorbans 0,3 0,25 0,2 Anthrone, standardkurva 0,15 R² = 0,9501 0,1 0,05 0 0 10 20 30 40 50 60 Koncentration (mg/l) Figur 2 Standardkurvan enligt Anthrone metoden med linjär anpassning. Det bör nämnas att nollningen av spektrofotometern skedde med blanken utan anthrone (innehållande destvatten och svavelsyra) istället för med referenskurvans blank med anthrone (innehållande destvatten, svavelsyra och anthrone). På grund av detta är standardkurvan antagligen inte helt korrekt. Ekvationen för den linjära anpassningen till standardkurvan kan ses i ekvation A.4. (A.4) Utifrån de uppmätta absorbanserna, tabell 7, beräknas proteinkoncentrationerna. Tabell 7 De olika provernas spädningsfaktor, absorbans och kolhydratkoncentration. Prov The Absolut Company Skånemejerier Spädningsfaktor 1 Absorbans 0,23 Kolhydratkoncentration (mg/l) 32 10 0,090 120 Vilket kan ses i ekvation 2 går den linjära anpassningen till standardkurvan genom origo trots att första mätpunkten för referenskurvans blank med anthrone ligger på 0,026 på grund av misstaget med spektrofotometer-nollningen. Detta medför att provernas kolhydratkoncentration kommer att bli något högre i verkligheten, än de värden som visas i tabell 7. Detta eftersom lutningen på den linjära anpassningen till standard kurvan skulle bli lägre. 102 B. Resultat från Kleerebezem & van Loosdrecht-metoden Dr Lange resultaten visas i tabell 8. Tabell 8 Resultaten för de olika Dr Lange testen. Dr Lange metod The Absolut Company [mg/l] Skånemejerier[mg/l] COD TOC Ntot NH4-N NO3-N NO2-N Ptot Sulfat 813 73,6 12,5 0,113 0,447 0,122 6,16 40,9 2424 75 148 1,6 74,2 0,46 6,79 137 Resultatet i tabell 9 är ett medelvärde från två oberoende mätningar på TOC-analysatorn Tabell 9 Resultaten för TOC från TOC-analysatorn. Prov TOC (mg /l) The Absolut Company 156,3 Skånemejerier 360,3 Resultaten från 5-punktstitreringen efter användandet av datorprogrammet utformat av Moosbrugger et al. (1992) visas i tabell 10. Tabell 10 Resultatet från 5-punktstitreringen; H2CO3 alkalinitet och kortkedjiga fettsyror. Prov The Absolut Company Skånemejerier H2CO3 alkalinitet (mg CaCO3/l) 203,5 Kortkedjiga fettsyror (mg acetat/l) 120,5 93,5 39,5 103 Från Dr Lange resultaten för Ntot , Amn-N, NO3 -N och NO2 -N kan mängden organiskt kväve beräknas och resultaten visas i tabell 11. Tabell 11 Mängden organiskt kväve i de olika substraten. Resultat för The Absolut Company [mg/l] Skånemejerier[mg/l] Norg 11,8 71,7 104 C. Resultat av BMP-försök Figur 3-7 visar BMP-kurvorna för varje substrat i triplikata flaskor. Figur 3 Alla flaskor i varje triplikat för fett vid de olika BMP-försöken. Figur 4 Alla flaskor i varje triplikat för protein vid de olika BMP-försöken. 105 Figur 5 Alla flaskor i varje triplikat för kolhydrater vid de olika BMP-försöken. Figur 6 Alla flaskor i varje triplikat för Skånemejerier vid de olika BMP-försöken. 106 Figur 7 Alla flaskor i varje triplikat för The Absolut Company vid de olika BMP-försöken. Resultat av andelar fett, protein och kolhydrater multiplicerat med litteraturvärden för metanproduktion jämförs med uppnådd metanpotential i tabell 12. Tabell 12 De uppnådda metanpotentialerna samt metanpotentialen uträknad utifrån andelarna av fett, kolhydrater och protein och deras respektive metanpotentialer. Substrat Metod ηpr* metan utbyte (Nl CH4 /kg VS) ηLIP* metan utbyte (Nl CH4 /kg VS) ηCHO* metan utbyte (Nl CH4 /kg VS) Total metanpotential (Nl CH4 /kg VS ) The Absolut Company Kleerebezem & van Loosdrecht Lowry och Anthrone Kleerebezem & van Loosdrecht Lowry och Anthrone 0,23*496 1,86*1014 -1,37*415 1431 Skånemejerier Uppnådd metanpotential (Nl CH4/kg VS ) 435 0,18*496 0,75*1014 0,078*415 882,2 0,35*496 0,66*1014 -0,041*415 825,8 661 0,30*496 0,62*1014 107 0,074*415 808,2 D. Resultat för hydrolyskonstanten I tabell 13 visas resultatet för den uträknade hydrolyskonstanten med hjälp av ekvationen framtagen av Angelidaki et al. (2009). Tabell 13 Hydrolyskonstanten beräknad med ekvationen framtagen av Angelidaki et al. (2009). Substrat The Absolut Company Skånevatten Fett Protein Kolhydrater Ymp BMP 1, 20 °C BMP 2, Anpassad BMP 2, Granuler BMP 1, 20 °C BMP 2, Anpassad BMP 2, Granuler BMP 1, 20 °C BMP 1, 37 °C BMP 2, Anpassad BMP 2, Granuler BMP 1, 20 °C BMP 1, 37 °C BMP 2, Anpassad BMP 2, Granuler BMP 1, 20 °C BMP 1, 37 °C BMP 2, Anpassad BMP 2, Granuler 108 Kh (d-1 ) 0,0948 0,108 0,115 0,0915 0,0501 0,0955 0,0425 0,0617 0,0450 0,102 0,0730 0,130 0,0760 0,118 0,0745 0,128 0,0987 0,0876 Evaluation of potential for anaerobic treatment of industrial wastewater at ambient temperature Sofie Andreasson & Nelly Dahl Water and Environmental Engineering at Department of Chemical Engineering, Lund University, Sweden ______________________________________________________________________________ Abstract Usually, an anaerobic digestion process is operated at either mesophilic (35-37 °C) or thermophilic (50-60 °C) temperatures. Wastewaters from the food industry do not usually have such high temperatures and to avoid having to heat the large quantities of diluted wastewater, anaerobic digestion at ambient temperature is an interesting option. New developments in the field, such as the membrane bioreactor, open up the possibility to carry out digestion at lower temperature. In this study, wastewaters from two different companies in the food industry; Skånemejerier and The Absolut Company were investigated with regard to potential energy recovery by digesting their wastewater at an ambient temperature of 20 °C. The methane potential tests showed that the wastewaters worked well as substrates, reaching maximum methane potentials of 662 Nl CH4/kg VS for Skånemejerier and 435 Nl CH4/kg VS for The Absolut Company. Furthermore, calculations of the hydrolysis constants for the wastewaters gave values of between 0.050-0.096 d-1 for Skånemejerier and between 0.098-1.1 d-1 for The Absolut Company. Keywords: Anaerobic Digestion, Ambient Temperature, Industrial Wastewater, Bio Methane Potential, Hydrolysis Constant material were to be digested at these temperatures very large amounts of energy would be required to heat the water. On the other hand, if the digester could be operated at ambient temperature, the process could, in theory, be much more profitable since no heating of the water would be necessary and energy could be obtained through biogas production. Because of strict regulations regarding levels of nutrients and organic materials in the wastewaters it could be beneficial for companies in the food industry to decrease the concentrations of these compounds through anaerobic digestion with biogas as a product. If the digester could be operated at ambient Introduction In the 1960s wastewater treatment plants in Sweden started producing biogas and since then Sweden has come a long way in the area. Biogas is the final product of anaerobic digestion of organic materials and it contains primarily methane and carbon dioxide. Biogas is a renewable source of energy that can be used for production of electricity, heat and fuel [1]. Traditionally, an anaerobic digestion process is operated at temperatures around 35 °C (mesophilic area) or 55 °C (thermophilic area) [2]. If large volumes of industrial wastewater with low concentrations of organic 1 temperatures the process could in theory be more profitable since no heating is required. When digesting at low temperatures, hydrolysis is often considered the rate limiting step since the enzyme activity is temperature dependent and decrease with decreasing temperature [3]. This study is focused on the possibility of digesting industrial wastewaters from the food industry with regard to energy recovery by operating the digestion process at an ambient temperature. originated from the inoculum and 1/3 from the substrate. Except from the two wastewaters, reference substrates for fat (cream), protein (gelatin) and carbohydrates (cellulose) was used as substrates in the BMP-tests. Two different inoculums were used for the BMP-tests; one was a granular sludge from Carlsbergs biogas plant (VIVAB) which is operated at 20-27 °C and one inoculum was from Sjölunda wastewater treatment plant (WWTP) which is operated at a mesophilic temperature of 35 °C. The inoculum from Sjölunda WWTP was also adapted to an ambient temperature of 20 °C before starting the second round of BMPtests. The adaption was carried out by storing the inoculum in 20 °C for four weeks while feeding it two times a week with primary sludge. Method Evaluation of the wastewater The two wastewaters, from Skånemejerier and The Absolut Company were evaluated regarding COD-concentration, volumetric flow, pH, temperature and nutrient concentrations (nitrogen and phosphorous) using data obtained from the companies in order to see how these parameters varied over the year. Hydrolysis constant For determination of the hydrolysis constants for the different substrates, the iterative nonlinear least squares method described by Brown (2001) [8] was used in Microsoft Excel together with the equation described by Angelidaki (2009) [9], see equation 1. Characterization In order to characterize the different fractions of protein, carbohydrate and lipid in the substrates two different methods was used: Lowry and Anthrone (L & A), where the protein content was analyzed through the modified Lowry method [4] and the carbohydrate content was analyzed through the modified Anthrone method [5]. The lipid content was then assumed to be the rest of the organic material in the water. The second characterization method was the method described by Kleerebezem & van Loosdrecht (K & vL) (2006) [6]. (1) From equation 1 the hydrolysis constant, , and the total accumulated methane, , could be obtained using the results from the BMPtests assuming first order kinetics and that the hydrolysis is the rate limiting step at low temperature. Theoretical methane potential In order to evaluate the experimentally reached methane potential from the BMP tests, theoretical methane potential is calculated for Skånemejerier and The Absolut Company. The theoretical methane potential is calculated through Buswells equation, see equation 2, from the molecular formula obtained by K & vL [10]. Bio Methane Potential test To experimentally evaluate the suitability of the substrates, two rounds of Bio Methane Potential tests (BMP tests) were performed according to [7]. One difference in this study from the method described in [7] is that 2/3 of the total concentration of volatile solids (VS) 2 with nutrient deficiency for a potential anaerobic digestion process with this wastewater. Table 2 shows important parameters for the wastewater from The Absolut Company. (2) Results and Discussion Evaluation of the wastewaters Table 2. Average and standard deviations for CODconcentration, flow, pH, temperature and nutrient concentrations from The Absolut Company. Table 1 shows important parameters for the wastewater from Skånemejerier. Table 1. Average and standard deviations for CODconcentration, flow, pH, temperature and nutrient concentrations for the wastewater from Skånemejerier. Parameter Average Standard deviation COD (mg/l) Flow (m3/day) pH Temp. (°C) Phosphorus (mg/l) Nitrogen (mg/l) 2200 1080 1000 134 Coefficient of variation (%) 47 12 6.9 28 13 Min: 2.6 2.7 4.8 Max: 11.0 9.4 37 110 40 37 Parameter Average Standard deviation COD (mg/l) Flow (m3/week) pH Temp. (°C) Phosphorus (mg/l) Nitrogen (mg/l) 1100 3340 900 875 Coefficient of variety (%) 80 26 9.1 32 13 4.6 6.9 14 52 15 11 76 The data in Table 2 shows that the CODconcentration of The Absolut Companys wastewater varies much and that it is low compared to that of Skånemejeriers wastewater. The combination of a high volumetric flow and a low COD-concentration could result in problems with washout of the microorganisms and a low methane production in an eventual anaerobic digestion process. The average pH is 9.1 which is too high for an anaerobic digestion process which has an optimum pH of around 7 [2]. However, data has shown that when the water is stored for a few days, the pH decreases and after the water has rested for an average of 3.5 days, the average pH is instead at 7.5 which is a much better pH for an anaerobic digestion process. Furthermore, the high pH of the wastewater inflow is not automatically a problem since the volume of the inflow is much smaller than the volume of the reactor. The temperature of The Absolut Companys wastewater varies around 32 °C which is approximately 5 °C below the optimum temperature for a mesophilic process. In order to avoid heating, an alternative is to digest the wastewater at an ambient temperature. The average COD:N:P ratio for The Absolut Companys wastewater is The data in Table 1 shows that the CODconcentration is relatively high, but varies a lot with a high standard deviation. The volumetric flow on the other hand has a low coefficient of variety, which is good when designing an anaerobic digestion process. That the pH varies between a very low pH of 2.8 and a high pH of 11 could result in problems for an anaerobic digestion process. However, the pH of the wastewater does not necessarily have a large impact on the pH of the biogas process. Also, the average pH of 6.9 is a reasonable pH for a biogas process and if a buffer tank where the pH variations could even out were to be installed it could solve an eventual problem. The average temperature is 28 °C which is between the mesophilic temperature of 35-37 °C and the ambient temperature of 20 °C used in this study. The average COD:N:P-ratio is 250:13,9:1,5 for Skånemejeriers wastewater compared to the rule of thumb of 250:5:1 [11]. This means that there will not be a problem 3 250:3,6:3,8. This indicates that there might be a risk of nitrogen deficiency. However, previous research by Ammary et al. (2004) has shown that the process could work well, without any deficiencies, even if the rule of thumb is not reached [11]. BMP-tests and hydrolysis constant The results of the BMP-test including calculated hydrolysis constants are shown in Figure 1-5. In Figure 1, it is obvious from the BMP curves that the methane production was fastest and reached the highest value when the non-adapted inoculum from BMP 1 at 20 °C was used. It also shows that the granules were a poor inoculum for anaerobic digestion of Skånemejeriers wastewater. This might be because the granules are not acclimated to treating substrates with milk fat or milk proteins, which makes the hydrolysis of these materials hard for the bacteria. In this case, the hydrolysis constants do not really match the appearance of the BMP-curves. It is very unlikely that the granules should have the highest hydrolysis constant out of these three. Characterization The results from the characterization of the wastewaters according to L & A and K & vL are shown in Table 3. Table 3. The fractions of protein (ηprot), fat (ηfat), carbohydrates (ηcho) and volatile fatty acids (ηVFA) according to both the characterization methods. Method K & vL L& A K & vL L& A ηprot 0.35 0.30 0.23 0.18 ηfat 0.66 0.62 1.9 0.75 ηcho -0.04 0.07 -1.4 0.08 ηVFA 0.024 0.28 - Methane production (Nl/kg VS) Substrate Skånemejerier The Absolut Company In Table 3 it is shown that the fraction of protein is similar for each substrate regardless of which characterization method was used. Furthermore the fractions of fat for Skpnemejerier give similar values for both methods but for The Absolut Company there is a big difference. When it comes to carbohydrates, K & vL gives negative values for both substrates which is impossible. Also L & A give very low values on the carbohydrate fractions. For Skånemejerier the results are considered reasonable, it is likely that the wastewater from a dairy factory contains mainly fat and proteins, although the fraction of carbohydrates should probably be somewhat higher due to for instance lactose. For The Absolut Company, the results are highly unlikely, especially according to the K & vL method. That some of the values according to the K & vL method is negative strongly indicates that this method is not in general successful to determine the content in dilute wastewater. 800 700 600 500 400 300 200 100 0 0 10 20 30 40 50 60 Time (days) Hydrolysis constant (d-1) BMP 1, 20 °C BMP 2, adapted 0.0915 0.0501 BMP 2, granules 0.0955 Figure 1. BMP-curves and the hydrolysis constants for Skånemejeriers wastewater with different inoculum. In Figure 2 it can be seen that for The Absolut Company, the three curves are similar to each other with regard to total methane production and shape. The rate of methane production was highest when using the granules, which can be seen both in the BMPcurve and on the hydrolysis constant. This could be explained by the fact that the granules were collected from a treatment plant used for treating brewery wastewater, which could possibly be similar to the wastewater from The Absolut Company. In the case of The Absolut Company, the hydrolysis constants well represent the appearance of the curves. 4 8 18 28 Time (days) BMP 1, 20 °C 38 BMP 2, adapted Hydrolysis constant (d-1) 0.0984 48 Methane production (Nl/kg VS) Methane production (Nl/kg VS) digesting the proteins at 37 °C. Furthermore there were no big difference between using the adapted and the non-adapted inoculum. This indicates that the adaption did not improve the microorganisms ability to hydrolyze proteins. The hydrolysis constant correlates well to the observations made in Figure 4. 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 -2 BMP 2, granules 0.108 0.115 Figure 2. BMP-curves and the hydrolysis constants for The Absolut Companys wastewater with different inoculum. Methane production (Nl/kg VS) Figure 3 shows the BMP-curves for digestion of carbohydrates. All the curves in this figure show a lag phase before the methane production starts, but the duration of the lag phase varies between the different environments. The longest lag phase appears when the non-adapted inoculum in BMP 1 was used at 20 °C and the shortest when the digestion was operated at 37 °C. For BMP 2, the results for the adapted inoculum and the granules show very similar results. For the carbohydrates, the hydrolysis constants match the BMP-curves and theory well, with the digestion at 37 °C having the highest hydrolysis constant. 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 -50 0 10 20 30 Time (days) 40 50 BMP 1, 37 °C BMP 2, adapted BMP 2, granules Hydrolysis constant (d-1) 0.0745 0.128 0.0987 0 10 20 30 40 50 60 Time (days) BMP 1, 20 °C BMP 2, adapted Hydrolysis constant (d-1) 0.0730 BMP 1, 37 °C BMP 2, granules 0.130 0.0760 0.118 Figure 4. BMP-curves and the hydrolysis constants for proteins with different inoculum and operating temperatures. Figure 5 shows the results of the BMPtests with fat as substrate. The appearances of these BMP-curves vary a lot. However, all the curves (except from the granules) have a similar sigmoidal shape, something that has been observed before when it comes to anaerobic digestion of fat, for example by Davidsson et al. (2008) [12]. According to Davidsson et al. (2008), the reason the curves get this shape could be because the microorganisms is inhibited by the high concentrations at the start of the digestion process but later they manage to recover and are able to reach a high total methane potential. 60 BMP 1, 20 °C 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0.0876 Figure 3. BMP-curves and the hydrolysis constants for carbohydrates with different inoculum and operating temperatures. The BMP-curves for protein, Figure 4, shows that digestion of proteins using the granules at 20 °C was almost as effective as 5 Methane production (Nl/kg VS) 1200 is compared with the methane potential reached in the BMP tests and for the reference substrates the methane potential reached in the BMP tests is compared with literature values from Angelidaki & Sanders (2004) [13]. It can be seen in Table 4 that the experimentally reached methane potential for The Absolut Company is very far from the theoretical. For Skånemejerier the opposite is observed with a higher experimentally reached methane potential than the calculated with a yield over 100 %. However for Skånemejerier, the reached methane potential out of the theoretical methane potential for the granules is only 29 %, even for fat the granules reach a significantly lower value. 1000 800 600 400 200 0 0 10 20 30 Time (days) 40 50 60 BMP 1, 20 °C BMP 1, 37 °C BMP 2, adapted BMP 2, granules Hydrolysis constant(d-1) 0.0425 0.0617 0.0450 0.10 2 Figure 5. BMP-curves and the hydrolysis constants for carbohydrates with different inoculum and operating temperatures. In Figure 5, just as in Figure 2, it can be observed that the granules were not very successful when it came to digesting milk fat. Furthermore, Figure 5 shows that the nonadapted inoculum in BMP 1 was better than the adapted inoculum when digesting the fat at 20 °C although they had very similar hydrolysis constants. Figure 5 show that using granules gave the highest hydrolysis constant. This do not correlate at all with the results from the BMPtests, but when calculating the hydrolysis constant for the sigmoidal fat curves the equation did not fit the data at all, see Figure 6. Table 4. Experimentally reached methane potential compared with the theoretical methane potentials. Substrate TMP* Skånemejerier 570A The Absolut Company 1005A Fat 1014 Protein 496 Carbohydrate 415 Methane production (Nl/kg VS) 700 600 500 400 300 200 100 0 0 10 20 30 40 Reached MP *** (% of TMP) 662 614 167 400 358 435 861 1002 752B 200 294 410 249 341 342 397 339 341 116 108 29 40 36 43 85 100 75 20 59 83 50 69 82 96 82 82 50 * Theoretical methane potential (Nl CH4/kg VS) ** Experimental methane potential (Nl CH4/kg VS) *** Methane potential A Calculated from the molecular formula based on K & vL. B The BMP curve had not yet leveled out when this data were measured. Time (days) Data points 20 °C Adapted Granules 20 °C Adapted Granules 20 °C 37 °C Adapted Granules 20 °C 37 °C Adapted Granules 20 °C 37 °C Adapted Granules EMP ** Model fitting Figure 6. The model fitting of Angelidaki et al, (2009) for fat with adapted inoculum and a temperature of 20 °C. Conclusion Theoretical methane potential From the results obtained during this work, the conclusion that it would be possible to operate a biogas process with wastewater from Skånemejerier or The Absolut Company In Table 4, the theoretical methane potential calculated according to Buswell [10] for Skånemejerier and The Absolut Company 6 as substrate was drawn although some parameters should be examined further. The two characterization methods used in this study, according to either L & A or K & vL showed not to be very successful for characterizing dilute wastewaters. When assessing the results however, the characterization according to L & A is more feasible and if one of the methods were to be recommended it would be that one. Results from the comparison between the theoretical methane potential and the methane potential reached in the BMP tests indicate that the molecular formula obtained from K & vL is a good approximation and that the problem with K & vL occur when calculating the fractions of fat, protein and carbohydrate. The determination of the hydrolysis constant has shown to give a good indication of how fast a substrate can be hydrolyzed under some conditions. However, when the BMP-curves do not have the right logaritmic shape, for example the sigmoidal curves for digestion of fat, the method used in this study is unreliable. Furthermore, the fact that the hydrolysis constant only gives a value of how fast the substrate hydrolyses and do not take into account how much methane that is produced makes it an inadequate parameter to determine whether a substrate is suitable for anaerobic digestion or not. The inoculum that was adapted to the ambient temperature showed varying results. In some cases the rate of methane production increased whereas in some cases the results were the opposite. Absolut Company, Magnus Persson at VIVAB and Ylva Eriksson at VA SYD for making these experiments possible. References [1] Lantz M., (2013). Biogas in Sweden – Opportunities and challenges from a systems perspective, Lund University, dissertation. [2] Jarvis Å., Schnürer A., (2009). Mikrobiologisk handbok för biogasanläggningar, Rapport SGC 207. [3] Donoso-Bravo A., Retamal C., Carballa M., Ruiz-Filippi G., Chamy R., (2009). Influence of temperature on the hydrolysis, acidogenesis and methanogenesis in mesophilic anaerobic digestion: parameter identification and modeling application, Water Science & Technology, 60:1. [4] Frølund, B., Palmgren, R., Keiding, K., Nielsen, P.H. (1996). Extraction of extracellular polymers from activated sludge using a cation exchange resin. Water Res 30, pp. 1749–1758 [5] Raunkjaer, K., Hvitved-Jacobsen, T., Nielsen P.H., (1994) Measurement of pools of protein, carbohydrate and lipid in domestic waste-water. Water Res 28, pp.251-262. [6] Kleerebezem R., van Loosdrecht M., (2006). Waste characterization for implementation in ADM1, Water Science & Technology 54:4, pp 167-174. [7] Hansen T. L., Schmidt J. E., Angelidaki I., Marca E., la Cour Jansen J., Mosbaek H., Christensen T. H., (2004). Method for determination of methane potentials of solid organic waste, Waste Management 24:4, pp 393-400. [8] Brown A. M., (2001). A step-by-step guide to non-linear regression analysis of experimental data using a Microsoft Excel spreadsheet, Computer Methods and Programs in Biomedicine 65, pp 191-200. [9] Angelidaki I., Alves M., Bolzonella D., Borzacconi L., Campos J. L., Guwy A. J., Kalyuzhnyi S., Jenicek P., van Lier J. B., Acknowledgement This paper is part of a master thesis at Water and Environmental Engineering at the Department of Chemical Engineering, Lunds University. This work could not have been done without all the help from our supervisors Hamse Kjerstadius and Jes la Cour Jansen, thank you. We would also like to thank Gertrud Persson, Fredrik Javenskjöld at Skånemejerier, Marcus Hansson at The 7 (2009). Defining the biomethane potential (BMP) of solid organic wastes and energy crops: a proposed protocol for batch assays, Water Science & Technology 59:5, pp 927-934. [10] Buswell, E. G., & Neave, S. L. (1930). Laboratory studies of sludge digestion. Illinois Division of State Water Survey, 30. [11] Ammary B. Y., (2004). Nutrients requirements in biological industrial wastewater treatment, African Journal of Biotechnology 3:4, pp 236-238. [12] Davidsson Å., Lövstedt C., la Cour Jansen J., Gruvberger C., Aspegren H., (2008). Co-digestion of grease trap sludge and sewage sludge, Waste Management 28:6, pp 986-992. [13] Angelidaki, I., & Sanders, W. (2004). Assessment of the anaerobic biodegradability of macropollutants. Reviews in Environmental Science and Bio/Technology, 3(2), 117–129. doi:10.1007/s11157-004-2502-3 8
© Copyright 2024