Algdamm med bubbelkolonn för CO2-och näringsupptag

Samtidig avskiljning av CO2 från biogas och separation av näringsämnen från centrifugerat rötslam har simulerats i en högbelastad (HRAP) pilotbiodamm med algaktivitet. Massbalanser för C, N och P har genomförts.

Av: Jörgen Hanaeus

Separation av CO₂ från biogas via en 2,5 L bubbelkolonn med algrikt vatten och samtidig avskiljning av C, N och P från centrifugerat men senare utspätt rötslam har genomförts i ett pilotbiodammsystem av typ HRAP, 180 L med 20 dygns uppehållstid. Försöken har genomförts inomhus med artificiell belysning av algerna 24 timmar per dygn under 2 månader. Kolupptaget från biogasens CO₂ var 55 % i bubbelkolonnen.  Nitrifikationen dominerade deammonifieringen (47 %) medan N-upptaget i algbiomassan var 14 % av totalt tillfört N.

Fosfatupptaget i algbiomassan utgjorde 2,5 % av denna vilket motsvarade en assimilation av tillfört fosfat av 77 %.

Bakgrund

Mikroalger byggs i mycket av koldioxid med hjälp av solstrålningen; ca 1,8 kg CO₂ åtgår per kg producerade mikroalger. Dessutom fångas kväve och fosfor in i biomassan. 

Dessa egenskaper kan utnyttjas till att behandla CO₂-rika strömmar, vilket kan göras i kombination med att behandla avloppsvatten med lågt kol/närsaltförhållande såsom anaeroba utflöden. En reaktor som är billig men effektiv i algproduktion utgörs av HRAP-konceptet (High Rate Algae Pond). Den ger möjligheten att ta upp CO₂ från en biogasström med bildning av ytterligare (alg-)biomassa som i sin tur kan användas till produktion av mer biogas. Biogas kan innehålla en stor andel CO₂ (25-50 %) vilken alltså minskar med den föreslagna processen och gör biogasen mer energirik (metan).

Ett försök genomfördes för att verifiera processens potential.

Försök

Försöket genomfördes inomhus med tillförsel av biogas till en absorbtionskolonn  som kopplades till en HRAP dit ett centrifugerat, rötat blandslam (”centratet”) från avloppsverket i Valladolid fördes efter utspädning med kranvatten och en daglig tillsats av 50 mL NaOH för att ge pH 8,1.pH-värdet valdes för att stödja den bakteriella nitrifikationen och minimera ammoniakavgången till luft. Algbiodammen bestod av en ca 2 m lång kanal med 15 cm vattendjup (180 L), och ett paddelhjul som drev avloppsvattnet, det spädda centratet, framåt med en fart av 0,2 m/s. Kanalen följdes av en sedimenteringstank om 8 L.

Vattenytan belystes med fluorescerande ljus av styrkan 75 µE/m² som verkade kontinuerligt, dvs. 24 h/d. Detta pågick med stabila förhållanden under 2 månader och näringsströmmarna kontrollerades med massbalanser.

Tillfört, utspätt centrat höll ca 11 mg TOC/L, 95 mg oorganiskt kol/L, 92 mg Tot-N/L och 8,9 mg PO₄-P/L. Flödet gav en hydraulisk uppehållstid av 20 dygn i HRAP-kanalen.

I tillförd biogas ersattes metaninnehållet av kvävgas pga explosionrisk. Gasinnehållet kontrollerades med gaskromatograf (GC-TCD). Uppehållstiden i adsorbtionskolonnen, dit gas och algrikt vatten från HRAP-kanalen fördes, var 1,9 h.

Resultat

De C,N och P-balanser som genomfördes gav de utmärkta utflödesvärdena 99,8 %, 101,7 % resp 99,0 % av tillförda mängder.

Algernas tillväxthastighet bestämdes till 0,05 g/d,g vilket gav en koncentration av 1,4 g TSS/L. Avskiljningen i sedimenteringstanken var i medeltal 98 %-ig vilket gav en utgående halt av i medeltal 22 mg TSS/L. Genomsnittlig biomasseproduktion var 2,2 g/m²,d vilket var något lågt jämfört med utomhuserfarenheter och tillskrevs en låg belysningsstyrka.

Initiellt bestod algkulturen av 71 % Phormidium sp, 20 % Oocystis och 9 % Microspora sp.

Kväve assimilerades i algbiomassan med 0,15 g/m², d vilket gav N-koncentrationen 6,6 % i massan. Löst fosfor assimilerades med 0,06 g/m², d till ett biomasseinnehåll av 2,5 %.

Biomassetillväxten beräknades svara mot en produktion av 4,2 CH₄/m², d som efter förbränning skulle ge 1 W/m² (HRAP-yta).

Slutsatser

Mikroalgernas förmåga att ta upp CO₂ och producera biomassa blir en alltmer intressant komponent i arbetet med växthusgasutsläpp. Avloppsvattenområdet har goda möjligheter att bidra där yta för HRAP-kanaler samt god solinstrålning finns tillgänglig.

Källa: Alcantara, C., Garcia-Encina, P.A.^, & Munoz, R. (2015): “Evaluation of the simultaneous upgrading and treatment of centrates in a high-rate algal pond through C, N and P mass balances.” Water Science & Technology 72.1, pp 150-157.

Hela artikeln finns här.

Författarna:

Department of Chemical Engineering and Environmental Technology, Valladolid University, Dr Mergelina s/n 47011 Valladolid, Spain.

Korrespondens:  mutora@iq.uva.es  (Raul Munoz)