Försök med tillsats av järnskrot till en tvåstegs rötningsprocess gav en markant ökning av metanproduktionen beroende på en stimulans av de anaeroba mikroorganismerna i systemet både vad avser struktur och enzymaktivitet.
Av: Bengt Andersson
För en kolneutral drift av avloppsreningsverk erfordras att slammet rötas anaerobt och att omvandlingen av energi i rötningsprocessen kan effektiviseras. Olika metoder med förbehandling av slammet kan öka metanproduktionen men de kräver oftast ett tillskott av energi, som gör metoderna mindre hållbara.
Tillsats av järn i olika former har visat sig vara positivt för en rötningsprocess. Järnskrot, WIS (waste iron scrap), finns tillgängligt i stora mängder från industrin och om WIS kan förbättra rötningsprocessen kan metanproduktionen ökas på ett hållbart sätt. Tidigare studier med tillsats av WIS har visat en förbättring av metanproduktionen, men mekanismerna för förbättringen är tvetydiga. Tre möjliga mekanismer har föreslagits: att mängden acetat ökar genom en minskning av redox-potentialen (ORP), att vätgasbildningen ökar genom korrosion av WIS och/eller att de anaeroba mikroorganismerna stimuleras vad avser mikrobiell struktur och enzymaktivitet.
Syftet med refererad studie var att genom kontrollerade försök påvisa en eventuell ökning av metanproduktionen genom tillsats av WIS och att värdera och klargöra mekanismerna för ökningen.
Genomförande
Försöken genomfördes i en tvåstegs rötningsprocess med uppdelning av syrabildningssteget (AP) och metanbildningssteget (MP). Ymp togs från en anläggning i laboratorieskala med mesofil rötning av ett överskottsslam från Gaobedian ARV i Beijing. Ett system med överskottsslam till AP (SRT 2d) och med slam från AP till MP (SRT 24 d) inkuberades under 5 månader för att skapa ett stabilt system.
Tillsats av WIS påverkar både ORP och vätgasbildning samtidigt och för att kunna särskilja effekten utnyttjades natriumsulfid (Na2S), som endast påverkar ORP, som ersättning av WIS. Effekten av WIS och Na2S på ORP studerades först med enbart överskottslam utan mikroorganismer. Eftersom Na2S påverkar rötningsprocessen negativt vid för hög dosering testades först olika dosering och därefter studerades effekten av ORP. Effekten av WIS undersöktes genom tre olika test i tvåstegsprocessen (0, 1 och 2), där AP0/MP0 utgjorde en referens utan tillsats av WIS och där WIS tillsattes till AP1 resp. till MP2 i de andra testen.
Försöken följdes upp genom kemiska analyser, genom bestämning av gasproduktion och andel metan, genom bestämning av den mikrobiologiska sammansättningen med FISH (Fluorescence In Situ Hybridization) och genom bestämning av aktiviteten för de enzym, som är viktiga för rötningsprocessen.
Resultat
Optimal ORP för metanogener är lägre än -350 mV. Både WIS och Na2S minskade ORP ner till omkring -500 mV beroende på dosering. Med en tillsats av 10 g/l WIS resp. 500 mg/l Na2S minskade ORP från -230 till omkring -350 mV utan hämning av gasproduktionen genom doseringen av Na2S.
Med en dosering av 500 mg/l Na2S till tvåstegssystemet minskade ORP till -380 mV dels genom effekten av doseringen dels genom den mikrobiologiska aktiviteten. Resultatet visade att minskningen av ORP inte gav någon statistiskt signifikant ökning av gasproduktionen.
Vid analys av vätgasbildning genom järnkorrosion konstaterades att mängden bildad vätgas inte kunde mätas direkt på grund av en omedelbar gaskonsumtion av metanogenerna. En stökiometrisk beräkning utifrån uppmätta koncentrationer av Fe2+ visade att bidraget till en ökad gasproduktion genom vätgasbildningen endast uppgick till omkring 3,7 %.
Försöken visade att en ökning av metanproduktionen med 10,1 resp. 21,4 % kunde uppnås genom tillsats av 10 g/l WIS till AP resp. MP. Samtidigt ökade avskiljningen av VSS med 5 resp. 13,2 %. Ökningen kunde inte förklaras av en minskning av ORP och endast till en liten del av vätgasbildningen genom korrosion av WIS. Effekten kunde istället förklaras av en stimulans av den mikrobiologiska tillväxten genom en ökad tillväxt av både syrabildare och metanogener.
Acetatkoncentrationen ökade vid tillsats av WIS och FISH visade att bakterier, som konverterade propionat och butyrat till acetat liksom bakterier som bidrog genom homoacetogenes, ökade markant (mellan 35 och 52 %). Även mängden metanogener i MP ökade genom tillsats av WIS, där metanogener som utnyttjar acetat (acetoclastiska metanogener) och som utnyttjar väte och koldioxid (hydrogenotrofa metanogener) ökade med 28 resp. 72 %. Aktiviteten av olika enzym stimulerades även med en ökning mellan 48 och 88 %.
Slutsatser
Försök med tillsats av järnskrot (WIS) till en tvåstegs rötningsprocess uppdelad i steg för syrabildning (AP) resp. metanbildning (MP) visade
- att metanproduktionen ökade med 10,1 resp. 21,4 % vid tillsats av 10 g/l WIS till AP resp. MP
- att avskiljningen av VSS samtidigt ökade med 5,0 resp. 13,2 %
- att effekten av en minskad ORP var försumbar och att effekten av en ökad vätgasbildning genom korrosion var begränsad samt
- att den ökade metanproduktionen genom WIS berodde till mer än 96 % av en ökad stimulans av de anaeroba mikroorganismerna
Källa: X. Hao, J. Wei, M.C.M. van Loosdrecht, D. Cao. Analysing the mechanisms of sludge digestion enhanced by iron. Water Research 117 (2017), pp 58 – 67.
