Hydrogenotrof biogasuppgradering integrerad i avlopps

Av: Bengt Andersson

Anaerob rötning är den vanligaste tekniken för att utvinna energi från organiskt avfall och vid rötning av avloppsslam innehåller rötgasen huvudsakligen mellan 55 och 70 % metan och mellan 30 och 45 % CO₂. Metanbildningen sker både genom acetoklastisk konvertering av acetat till metan, som är dominerande och står för mer än 70 % av metanbildningen, och genom hydrogenotrof konvertering av H₂ och CO₂ till metan. 

Uppgradering av rötgasen erfordras vanligen framför allt för att ta bort koldioxid och olika kommersiella tekniker finns, dock till ganska höga kostnader. På senare tid har intresset ökat för stimulering av den hydrogenotrofa metanbildningen för att minska koldioxidhalten i rötgasen. Det erfordrar en extern tillförsel av väte och generering av väte kan ske genom en koppling av bioelektrokemiska tekniker till rötningsprocessen eller genom vattenhydrolys med överskottsenergi från t.ex. sol- eller vindkraft. 

Syftet med refererad studie var att utveckla en anrikningsstrategi för hydrogenotrofa metanogena kulturer för snabb uppstart av pilot- eller fullskaleanläggningar för mesofil rötning. Effektiviteten utvärderades genom mätning av gasens metaninnehåll och specifik metanproduktion, konvertering av H₂, pH-trender, VFA koncentration och dynamik, massbalans för COD och specifik hydrogenotrof metanogen aktivitet (SHMA).

Genomförande

Försöken utfördes i tre kontinuerligt omrörda reaktorer, där R1 utgjorde referens utan tillförsel av H₂ och R2 och R3 försöksreaktorer med tillförsel av H₂. En blandning av primär- och bioslam från ett reningsverk i Milano tillfördes reaktorerna 5 dagar per vecka så att den organiska belastningen blev 1 g VS/l*d med en hydraulisk uppehållstid av 15 dygn. Anrikningsförsöken i reaktor R2 och R3 var identiska och de indelades i 5 faser, där uppstartsfasen skedde under 19 dygn för acklimatisering av bioslammet utan H₂-tillsats. Därefter doserade H₂ så att H₂/CO₂-förhållandetökades från 1:1 till 4:1 i fyra steg med en varaktighet av 7 dygn för varje steg. Före slamtillförseln bestämdes gasvolym och gassammansättning och H₂-doseringen av baserades på uppmätt CO₂-halt.

Analyser utfördes av TS, VS och COD samt pH och VFA i reaktorerna. Biogasproduktionen bestämdes med en manometrisk metod och gasens sammansättning bestämdes tre dagar per vecka genom gaskromatografi. Konverteringen av CO₂ och utnyttjandet av H₂ beräknades och försök gjordes för bestämning av SHMA.

Resultat

Reproducerbara resultat avseende gassammansättning och metanproduktion erhölls för reaktorerna R2 och R3, vilket indikerade att använd metodik var lämplig. Observerade skillnader mellan reaktorerna R2/R3 och R1 var statistiskt signifikanta både vad gäller biogasproduktion och metanhalt.

Under fas I skedde en acklimatisering av slammet i reaktorerna och metanproduktionen nådde ett stabilt värde av 157 NmlCH₄/g VS med ett innehåll av omkring 73 % CH₄ och 27 % CO₂. pH-värdet var cirka 7,3 i reaktorerna medan halten fettsyror var lägre i R2 än i R1 och R3. Andelen ättiksyra av VFA var omkring 85 % i R2 och omkring 65 % i R1 och R3. Andelen propionsyra i R3 uppgick till cirka 15 %, vilket indikerade en obalans i nedbrytningen av propionat.  

Under fas II doserades H₂ till reaktorerna R2 och R3 i ett H₂/CO₂-förhållande av 1:1. Metanproduktionen var oförändrad i R1 medan den ökade med 5 % i R2 och minskade med 5 % i R3. Halten fettsyror minskade i R1, vilket indikerade en anpassning av biomassan i reaktorn. Reaktorerna R2 och R3 uppvisade olika utveckling. I R2 ökade VFA och framför allt ättiksyra på grund av utnyttjandet av H₂ för metanproduktionen. Ökningen av den specifika metanproduktionen i R2 uppgick till cirka 7 %, vilket var i överensstämmelse med förväntat. I R3 förändrades däremot både koncentration och fördelning av VFA och halten uppgick till cirka 2500 mg/l, där andelen ättiksyra, propionsyra, smörsyra och valeriansyra vardera uppgick till 25 %. Närvaron av smörsyra och valeriansyra indikerade en obalans i processen.  

Under fas III ökades H₂/CO₂-förhållandet till 2:1, vilket resulterade i en ökning av den specifika metanproduktionen med 13 % i R2 och med 4 % i R3 med en utnyttjandegrad av tillsatt H₂ av 98 % och med en metanhalt av mellan 75 och 76 %. Resultaten visade att anrikningen var snabbare i R2 än i R3 trots samma utgångsförutsättningar. I R2 var VFA-nivån under 300 mg/l, vilket indikerade en välfungerande process och 80 % av VFA utgjordes av ättiksyra. I R3 minskade halten VFA till cirka 1000 mg/l med omkring 60 % ättiksyra, vilket visade en anpassning till det ökade partialtrycket av H₂. pH ökade svagt berodde på en minskad CO₂-halt i vätskefasen.

Under fas IV med en H₂/CO₂-dosering av 3:1 ökade den specifika metanproduktionen med cirka 30 % både i R2 och R3 med en metan- resp. koldioxidhalt i gasen av omkring 77 resp. 22 %. VFA-halten var mellan cirka 300 och 400 mg/l, vilket innebar stabila förhållanden med en ättiksyreandel av omkring 90 %. SHMA ökade kraftigt i R2 från 87 till 234 NmlCH₄/g VS/d från fas I till fas IV, en ökning med 170 %. Motsvarande ökning var något lägre i R3. 

Under den sista fasen V med en dosering av 4:1 noterades ingen ökning av gasproduktionen medan andelen metan i gasen ökade till över 80 % i R2. SMHA i R2 och R3 ökade ytterligare till 360 resp. 290 NmlCH₄/g VS/d. Halten VFA i R2 var stabil medan den ökade igen i R3 till cirka 1000 mg/l, vilket indikerade att acklimatiseringen fungerade bättre i R2 än i R3.

Slutsatser

Försök med stimulering av den hydrogenotrofa metanbildningen genom dosering av H₂ i olika molförhållande visade att  

Källa: JV. Corbellini, A. Catenacci, F. Malpei. Hydrogenotrophic biogas upgrading integrated into WWTPs: enrichment strategy. Water Science & Technology 2019, 79.4, pp 759 – 770.

Hela artikeln från Water Science & Technology finns att köpa här.