Ett konventionellt aktivslamverk i Tyskland har jämförts med en pilotanläggning som med fällning och mikrosil behandlar en del av verkets avloppsvatten. Det organiska materialet utnyttjades bättre i piloten.
Av: Jörgen Hanaeus
För att kunna omvandla en större andel organiskt material i avloppsvatten till rötgas har en process provats i pilotskala och jämförts med resultat från det verk med aktivslamprocess, N-rening och fällning varifrån testvattnet hämtats. Pilotprocessen (CARISMO) bestod av (8 mm rensgaller och luftat sandfång) direktfällning med polyaluminiumklorid och polymerdos samt separation av flock med mikrosil (100 µm). Det avskilda slammet rötades mesofilt och provtogs; metanmängden mättes. Jämförelse med det stora verkets process visade piloten en positiv energibalans med + 0,17 kWh per m3 inkommande avloppsvatten medan det stora verket visade – 0,20 kWh/m3. Resultatet baserades på en kombination av mätningar och beräkningar.
Bakgrund
Kemisk energi i avloppsvattens organiska material har skattats till 4 kWh/kg COD (Heidrich). Om vattnet innehåller 120 g COD/PE och dygn erhålles en potential om 175 kWh/PE och år. Siffran kan jämföras med värden för konventionella aktivslamverk > 10 000 PE för vilka tyska erfarenheter anger ca 35 kWh/PE och år. Möjligheten till energipositiva avloppsverk finns alltså, med marginal.
I konventionella aktivslamverk överförs det organiska materialet till CO2 av mikroorganismerna eller integreras i deras biomassa. Processen behöver syre liksom den efterföljande nitrifikationen och det är energikrävande. Kemisk fällning av främst fosfor tillkommer. Genom rötning av biomassan till metangas kan energi återvinnas, vilket vanligen görs genom kombinerad värme- och elektricitetsgenerering. Ett vanligt värde är då 10-18 kWh/PE och år i elektricitet, vilket kan täcka upp till 70 % av ett verks behov, men alltså utnyttjar mindre än 10 % av potentialen i det organiska materialet.
För att öka utbytet av energin i det organiska materialet testades ett alternativt koncept kallat CARISMO (Carbon is money!). Processens idé är att separera så mycket organiskt material som möjligt via ett filtrerande steg med låg energiåtgång och överföra detta till slam. Det går till så att efter normal förbehandling med 8 mm galler och luftat sandfång tillsätts fällningskemikalie – här valdes polyaluminiumklorid+katjonpolymer efter försök – följt av flockning och mikrosilning genom 100 µm (Hydrotech). Backspolningen av mikrosilen levererar mycket organiskt material (primärslam). Det så behandlade vattnet ska behandlas genom ett biofilter som alltså tar emot ett vatten med ett relativt lågt innehåll av organiskt material men ger ytterligare slammängder. Det producerade slammet rötas och metangas utvinns för elektricitets- och värmealstring.
Förhoppningen var att överföra minst 60 % av inkommande organiskt material till slam och härigenom öka biogasutbytet med väl 50 % jämfört med det fullskaliga aktivslamverket.
En mass- och energiflödesmodell sattes upp för att ha kontroll över försöksutfallen.
Försök
Från referensverket Stahnsdorf i Berlin togs mekaniskt renat vatten till pilotanläggningen.
Vattnet innehöll i genomsnitt 508 mg SS/L, 1 038 mg COD/L, tot-P 14 g/L och tot-N 91 mg/L; ett väl koncentrerat avloppsvatten, alltså. Flödet till piloten var 4,5-6 m3/h. Anläggningen drevs manuellt; 8 h under normala arbetsdagar. PACl (15-20 mg Al/L) doserades på inkommande ledning och omrörning skedde i en 500 L-tank. Till en följande 500 L-tank, också med omrörning, doserades polymer (5-7 mg/L). Därefter passerades mikrosilen som backspolades med 5 bar.
Spolvattnet förtjockades med enkel sedimentering från ca 1 % TS till 3,5 % TS. Rötkammaren, 300 L, försågs automatiskt via en bufferttank med 15 L/d delat på fyra tillfällen. Rötkammaren värmdes till 35-38 °C. Spårämnesförsök med litium visade en medeluppehållstid av 16 dygn.
Anläggningen drevs i 18 månader utan några värre driftproblem. Två kemikaliereningar av mikrosilen behövdes.
Resultat
Avskiljningen av suspenderat material över mikrosilen var i genomsnitt 96 %. COD separerades till 78 % (95 % av partikulär COD och 20 % av löst COD). Totalfosfor 86 % och totalkväve 17 %.
Utgående COD från mikrosilen höll ändå 120 mg/L VFA, vilket bedömdes viktigt för en efterföljande denitrifikation.
Silspolvattnet med avskilt slam stod för 4-10 % av inkommande vatten till pilotanläggningen. I en fullskaletillämpning bedömdes 4-6 % med TS 1-2 % vara rimligt utfall och där förtjockning till TS 2-5 % enkelt kan ske med sedimentering. Slamvolymindex för spolslammet var 50 mL/g.
Med en 50 %-ig reduktion av inkommande organisk TS gav blandslammet i referensanläggningen 430 NL biogas/ kg organisk TS. För spolslammet från pilotanläggningen erhölls en 56 %-ig reduktion som gav 600 NL biogas/ kg organisk TS. Metanandelen i biogasen var lika för dessa anläggningar; ca 60 %.
I modellberäkningarna antogs 60 % av det organiska materialet (som COD) överföras till slam, medan siffran för piloten var 73 %. Energi för biofilter till nedbrytning av återstående COD och för kemikalietillverkning uppskattades, liksom energi för produktion av metanol (kolkälla) till denitrifikationen för att få en rättvis jämförelse med referensanläggningen.
Den resulterande energibalansen visade för referensanläggningen en energiproduktion av 0,4 kWh/m3 (inkommande avloppsvatten) och en konsumtion av 0,6 kWh/m3. Skillnaden, blev alltså 0,2 kWh/m3 varav 0,14 kWh elenergi.
För pilotanläggningen blev motsvarande siffror 0,72 och 0,55 kWh/m33 för det tänkta fullskaleverket.
Flera antaganden gjordes beträffande poster och diskuterades; liksom processernas påverkan på växthuseffekten.
Slutsatser
Det energipositiva avloppsverket är en populär metafor – något tveksam eftersom energi varken kan produceras eller konsumeras – men angeläget arbete pågår på flera fronter och det organiska materialet är ofta i förgrunden. Från att samla in större mängder av detta till att utnyttja dess bränslevärde till fullo. Ett alternativ som tidigare provats i stället för fällning är MBBR.
Artikeln sammanfaller med svenska ambitioner och innehåller en del data som kan jämföras med de från svenska a-verk.
Källa: Remy, C., Boulestrau, M. & Lesjean, B. (2014): “Proof of concept for a new energy-positive wastewater treatment scheme.” Water Science & Technology 70.10, pp 1709-1716.
Författarna: Berlin Centre of Competence for Water, gGmbH, Cicerostrasse 24, Berlin D-10709.
Korrespondens: christian.remy@kompetenz-wasser.de
