Inert material med en storlek av omkring 30 mm är vanligt förekommande i avloppsvatten och avloppsslam. Biogasproduktionen vid rötning av avloppsslam är vanligtvis lägre än vid rötning av andra organiska avfall. Försök visade att de inerta partiklarna i avloppsslammet hämmade biogasproduktionen genom bindning till slammets organiska material.
Av: Bengt Andersson
Vid en jämförelse av anaerob rötning av avloppsslam med rötning av andra organiska avfall som matavfall och avfall från livsmedelsindustrin konstateras ofta att den specifika gasproduktionen från avloppsslammet är mycket lägre än för övriga avfall och även nedbrytningen av det organiska materialet. Genom förbehandling av slammet med olika metoder har gasproduktion och nedbrytning ibland kunnat förbättras men dock inte alltid. De grundläggande orsakerna till den lägre specifika nedbrytningen och gasproduktionen har inte kunnat förklaras.
Avloppsslam innehåller i motsats till andra organiska avfall alltid oorganiskt material i varierande mängd som sand och annat finmaterial, som inte avskiljs i sandfången. Oorganiskt material med en storlek mellan 3 och 50 mm kan påverka det organiska materialet i slammet och ändra karaktären och förutsättningar för hydrolys och biogasproduktion vid rötning.
Syftet med refererad studie var att undersöka effekten av MSSP (micro-sized silica particles) på den specifika gasproduktionen vid rötning av avloppsslam genom parallella rötningsförsök med resp. utan tillsats av MSSP.
Genomförande
Rötningsförsöken utfördes vid mesofila förhållanden (37 oC) med två olika avloppsslam, ett överskottsslam (ES) från ett kommunalt avloppsreningsverk i Shanghai och ett modellslam (MS) från en laboratorieanläggning beskickad med ett syntetiskt avloppsvatten. Rötslam för ymp togs från en rötkammare i laboratorieskala. Parallella försök för bestämning av biogasproduktionen gjordes för slam med resp. utan tillsats av MSSP med en genomsnittlig partikelstorlek av 30 mm, där slammen betecknades med ES, ES-MSSP, MS och MS-MSSP. I försöken med partiklar doserades 2,2 g MSSP till 200 g slam.
Upplösningsegenskaperna för organiskt material i slammen bestämdes vid olika temperatur och uppehållstid och AAE (apparent activation energy, som är den minsta energin som behövs för att sätta igång en kemisk reaktion) beräknades med hjälp av Arrhenius ekvation. Slammets morfologi karakteriserades med hjälp av SEM-EDS (scanning electron microscopy – energy dispersive spectrometer) och elementaranalys av C, O, N och Si gjordes med XPS (X-ray photoelectron microscopy). Interaktionen mellan proteiner och MSSP bestämdes genom FTIR (Fourier transform infrared spectroscopy). Karakteriseringen av slammens fysiokemiska egenskaper gjordes genom att bestämma SC (surface charge) och SSD (surface site density) samt medelpartikelstorlek (MPS).
Resultat
Försöken visade att den specifika biogasproduktionen var högre för ES och MS än från ES-MSSP och MS-MSSP, vilket visade att MSSP hämmade gasproduktionen. För ES minskade gasproduktionen från 196 till 150 ml CH4/g VS (23 %) och för MS från 328 till 255 ml CH4/g VS (22 %). MSSP hade ingen inverkan på förhållandet mellan CH4 och CO2 i gasen.
Upplösningen av organiskt material kunde beskrivas med pseudo-första ordningens kinetik och försöken visade att hastighetskonstanten för upplösningen för både ES och MS minskade vid tillsats av MSSP. Detta innebar även att aktiveringsenergin (AAE) ökade på grund av MSSP med ökade energibarriärer och en minskad upplösning av organiskt material och hydrolys. Skillnaden i hastighet minskade med ökad temperatur, vilket innebar att en förbehandling vid en högre temperatur skulle kunna minska den negativa effekten av MSSP.
Analys av de fysiokemiska egenskaperna hos slammet före och efter bindningen med MSSP visade att SSD och halten löst TOC minskade medan medelpartikelstorleken ökade vid tillsats av MSSP. Upplösningen av organiskt material hämmades genom minskningen av SSD och genom att större bio-oorganiska flockar bildades genom bindningar mellan MSSP och organiskt material. SSD är ett mått på slammets potential för bindning till enzym (vanligtvis proteiner) och ett högre värde medför en minskad förlust av fria elektroner, som är direkt involverad i biogasproduktionen.
Det fanns en linjär negativ korrelation mellan AAE och SSD, som innebar att en minskning av SSD medförde en ökning av AAE. Inget enhetligt samband mellan gasproduktion och SSD fanns beroende på att sambandet för varje slam var olika på grund av olika egenskaper.
Karakterisering av de bio-oorganiska flockarna genom analys med XPS visade att proteiner i slammet var den huvudsakliga komponent, som bands till MSSP via icke-kovalenta bindningar (elektrostatisk samverkan och vätebindning). Ytterligare analys med FTIR visade att samverkan mellan MSSP och proteiner var i huvudsak entalpidrivna med exotermiska förhållanden, som innebar att proteinerna blev mera stabila med den icke-kovalenta bindningen.
Slutsatser
Slutsatserna av försöken med tillsats av inerta mikropartiklar (MSSP) till två olika slam visade att
- MSSP hämmade den specifika biogasproduktionen från avloppsslam vid anaerob rötning genom en minskad upplösning av organiskt material
- MSSP band organiskt material på ytan av slampartiklarna och bildade stora bio-oorganiska flockar
- protein i slammet var den huvudsakliga komponenten i slammet som kunde binda MSSP genom icke-kovalenta bindningar
- samverkan mellan MSSP och protein var i huvudsak entalpidriven med värmeavgivning
- termisk förbehandling av slammet skulle kunna minska hämningen av gasproduktionen på grund av MSSP.
Källa: X. Dai, Y. Xu, B. Dong. Effect of the micron-sized silica particles (MSSP) on biogas conversion of sewage sludge. Water Research 115 (2017), pp 220 – 228.
