Ökad nedbrytning av organiskt material i avloppsslam med ett mellansteg med termofil aerob rötning utan minskning av biogasproduktionen Försök med mesofil anaerob rötning av ett överskottsslam med ett mellansteg med aerob termofil rötning visade att nedbrytningen av det organiska materialet ökade signifikant utan att metanutbytet från processen minskade.
Av: Bengt Andersson
Termofil aerob rötning (TAD) är en effektiv metod för behandling av avloppsslam där upp till 60 % reduktion av VS eller COD kan uppnås samtidigt med en effektiv reduktion av patogener. TAD har även använts som förhandling till anaerob rötning med en ökad reduktion av organiskt material men med väsentligt lägre biogasproduktion. Användning av TAD som ett mellansteg mellan två anaeroba rötningssteg i stället för som förbehandling kan vara mer effektivt eftersom det nedbrytbara organiska materialet i inkommande slam kan konverteras till metangas i det första anaeroba steget utan förluster av biogas. I ett processystem med ett aerobt mellansteg leds dock endast svårnedbrytbart material till den andra anaeroba reaktorn eftersom slammet har passerat ett anaerobt och ett aerobt steg innan. Dessutom innehåller slammet efter behandlingen med TAD löst syre.
Syftet med refererad studie var att genom försök med rötning av slam i semikontinuerliga anaeroba reaktorsystem jämföra ett trestegs anaerobt system med ett mellansteg med TAD och ett enstegs system med anaerob rötning med avseende på nedbrytning av organiskt material och gasproduktion. Vidare var avsikten att belysa om stabila driftförhållanden kunde upprätthållas.
Genomförande
Försöken utfördes i två parallella system i laboratorieskala. Det ena systemet (1S) bestod av en mesofil reaktor med en hydraulisk uppehållstid av 30 dygn vid 37 oC. Det andra systemet (3S) bestod av två lika stora mesofila reaktorer med en uppehållstid av 15 dygn vardera vid 37 oC. Mellan de båda reaktorerna fanns en mindre TAD reaktor för termofil aerob rötning med en uppehållstid av 1 dygn vid 55 oC och med en konstant lufttillförsel av 0,25 l/kg/hr. Båda systemen tillfördes överskottsslam från avloppsreningsverket i Odense tre gånger per vecka. Överföring av slam mellan stegen i 3S skedde genom pumpning var tredje timme.
Analys av TS, VS, COD och pH gjordes på veckobasis för inkommande och utgående slam samt mellan stegen i 3S. Löst O2 bestämdes i TAD-reaktorn. Insamling av ackumulerad biogas gjordes för varje reaktor med bestämning av halterna av metan och koldioxid. Belastning och avskiljning av VS och COD beräknades baserat på massflöde och jämförelsen av avskiljningen i de båda systemen utvärderades statistiskt genom parvisa t-test.
Resultat
Avskiljningen av organiskt material var signifikant högre i 3S med TAD som mellansteg än i 1S med enbart mesofil anaerob rötning. Den procentuella avskiljningen av VS uppgick till 52 +/- 12 % för 3S resp. till 40 +/- 12 % för 1S. Avskiljningen av COD uppgick till 44 +/- 17 % resp. till 34 +/- 17 % för 3S resp. 1S. Omkring 60 % av avskiljningen uppnåddes i det första steget av 3S. Skillnaden kunde förklaras av en avskiljning av oxiderade komponenter under TAD och av att de aeroba och anaeroba mikrobiella systemen utnyttjade olika komponenter i slammet.
Metanutbytet var det samma för de två systemen och uppgick till 0,23 l/g VStillförd. Metanhalten var emellertid högre i 3S jämfört med 1S. Halten var 85 +/- 6,7 % i det första steget och 85 +/- 4,5 % i sista steget i 3S medan halten uppgick till 81 +/- 7,7 % i 1S.
Innehållet av organiskt material i inkommande överskottsslam varierade mellan 33 – 63 g TS/kg, 24 – 46 g VS/kg och 39 – 71 g COD/kg. Den hydrauliska uppehållstiden i de anaeroba reaktorerna minskade under försöket av olika anledning och den var tidvis påtagligt lägre än riktvärdena. Trots detta påverkades varken biogasproduktion eller pH-värde. Biogasen innehöll en hög koncentration av CH4, som aldrig understeg 67 % i 1S resp. 70 % i första steget i 3S. I det andra steget i 3S efter TAD var metanhalten aldrig lägre än 75 %, vilket visade att ingen inhibering eller lägre aktivitet för metanogenerna inträffade trots belastningen med ett luftat slam med låg nedbrytbarhet.
En applikation med TAD erfordrar dock tillförsel av energi för luftning och eventuellt för uppvärmning av slammet från 37 till 55 oC. Luftbehovet uppskattades till drygt 20 MJ/m3 slam. Även om den metabola aktiviteten i TAD-process normalt kan skapa tillräckligt med värme för uppvärmning av slammet till termofila förhållanden kan detta dock bli svårt i en applikation med TAD som mellansteg med en kort uppehållstid och med en lägre nedbrytbar andel organiskt material i slammet. Erforderlig värmeenergi för uppvärmning av slammet utan energiåtervinning uppskattades till 75 MJ/m3.
Även om det extra energibehovet för TAD är väsentligt lägre än energiutbytet från biogasproduktionen på 360 MJ/m3 är behovet signifikant och en bättre förståelse för luftningsintensitetens inverkan på metanproduktionen i det sista anaeroba steget är önskvärd. Studien indikerade att mer kunskap behövs för att förstå skillnaderna mellan aerob och anaerob nedbrytning av slam. Fortsatta försök anbefalldes för att klargöra hur uppehållstid och luftningsintensitet i den aeroba reaktorn påverkar förhållandena och om metanutbytet kan ökas för att förbättra energibalansen.
Slutsatser
Försök med termofil aerob rötning i ett steg mellan två anaeroba mesofila reaktorer visade i jämförelse med mesofil anaerob rötning i ett steg att
- nedbrytningen av organiskt material förbättrades påtagligt (52 % mot 40 % för VS och 44 % mot 34 % för COD)
- metangasproduktionen var den samma i båda systemet (omkring 0,22 till 0,24 l CH4 per g VStillförd)
- driften av systemet med TAD som mellansteg var stabil även vid en lägre uppehållstid än målet och med stora variationer i belastningen
Källa: S.D. Hafner, J.T. Madsen, J.M. Pedersen, C. Rennuit. Inter-stage thermophilic aerobic digestion may increase organic matter removal from wastewater sludge without decreasing biogas production. Water Science & Technology 2018, 77.3, pp 721 – 726.
