Rötning av överskottsslam fungerar relativt dåligt på grund av begränsningar i hydrolyssteget. Förbehandling av överskottsslammet före rötning kan ge positiva effekter. En ny metod som baseras på elektrolys av slammet, där anod och katod har separerats genom ett jonbytesmembran, har visat sig fungera väl med ett positivt energiutbyte och med en möjlig utvecklingspotential.
Av: Bengt Andersson
Överskottsslam från en aktivtslamprocess utgörs till stor del av bakterieceller med cellväggar och membran uppbyggda av komplexa organiska föreningar som är svåra att bryta ned vid anaerob rötning. Flera bakteriegrupper i överskottsslammet har en tendens att överleva i rötningsprocessen på grund av en låg hydrolyshastighet. För att öka effektiviteten i nedbrytningen erfordras en längre hydraulisk uppehållstid eller en ökning av hydrolyshastigheten genom förbehandling av överskottsslammet.
Det finns ett flertal olika metoder för förbehandling av överskottsslam före rötning som omfattar såväl biologiska, mekaniska och kemiska behandlingsmetoder som termisk hydrolys. Kemisk förbehandling med syra eller alkali har visat god effektivitet. Kostnaderna är dock höga inte bara för förbehandlingen utan även för erforderlig neutralisering före rötningen.
I refererad studie föreslås en ny tillämpning av kemisk förbehandling, där pH kan ändras genom elektrolys utan att kemikalier behöver doseras. Metoden utgör en utveckling av elektrolys av vatten, där vattenmolekylerna splittras till vätejoner och hydroxidjoner då en tillräcklig spänning läggs över elektroderna och en pH-gradient uppkommer mellan anod och katod. Genom att separera anod och katod i olika kammare med ett selektivt jonbytesmembran är det möjligt att uppnå ett högt pH i kammaren med katoden och ett lågt pH i kammaren med anoden. Efter behandlingen kan slammet från de båda kamrarna blandas och ett mera neutralt pH lämpligt för efterföljande rötning erhållas.
Genomförande av undersökningen
Undersökningen genomfördes i en laboratorieanläggning uppdelad i två kammare separerade av ett jonbytesmembran. I varje kammare applicerades 5 grafitelektroder för att få en bra kontaktyta mellan elektroder och slam. Spänningen över elektroderna var 12 V.
Överskottsslam hämtades från Woodman Point avloppsreningsverk i västra Australien. Rötslam från samma reningsverk användes som ymp vid batchvisa rötningsförsök. Rötslammet inkuberades vid 37 oC utan substrattillförsel tills gasproduktionen minskat till mindre än 0,01 l/l*d för att undvika påverkan från bakgrundssubstratet.
Försöken med förbehandling av slammet genom elektrolys genomfördes vid en temperatur av 25° C och de pågick tills pH stabiliserats. pH och strömstyrka mättes kontinuerligt i båda kamrarna. Efter avslutad elektrolys bestämdes slammets innehåll av VSS och löst COD i varje kammare och en upplösningsgrad kunde beräknas.
Efter elektrolysen blandades slammen från de båda kamrarna och pH uppmättes i blandningen. Detta slam rötades därefter i batchvisa försök för att bestämma nedbrytning och gasproduktion. Slamtillförseln till rötkamrarna var 20% på volymbasis. En referens fanns med icke förbehandlat slam för jämförelse.
Resultat
Genom elektrolysen bildades syre och väte vid anoden resp. katoden och det indikerade att en splittring av vattenmolekylerna skedde i båda kamrarna. En pH-skillnad erhölls, där pH uppmättes till 10,1 resp. 2,5 i kamrarna med katod resp. anod efter 15 timmars drift. Efter blandning av slammen erhölls ett pH-värde av 6,5, vilket var obetydligt högre än 6,9 som var pH i ursprungsslammet. Det kunde konstateras att inga kemikalier erfordrades för att neutralisera slammet före rötningen.
Upplösningsgraden av VSS genom förbehandlingen utgör överföringen av partikulärt organiskt material till lösligt material. Genom elektrolysen uppgick överföringen till 34 % av VSS vid anoden och till 31.1 % vid katoden. Detta innebär en upplösning av samma storleksordning som den som erhålls vid termisk hydrolys. Innehållet av löst COD i slammet ökade från 0,16 g/l i det obehandlade slammet till 1,79 resp. 1,26 g/l i kamrarna med anod resp. katod. Den genomsnittliga ökningen av löst COD med 1,36 g/l motsvarar teoretiskt en ökning av metanproduktionen med 520 l per m3 överskottsslam, vilket är ekvivalent med en ökning med 58,4 l per kg VSS.
Batchvisa rötningsförsök visade att metanproduktionen ökade från 240 l/kg VSS vid rötning av det obehandlade slammet till 320 l/kg VSS vid rötning av det förbehandlade slammet. Ökningen var nästan 80 l/kg VSS, vilket var högre än förväntat baserat på mängden löst COD, vilket indikerar att ytterligare organiskt material gjorts tillgängligt genom t.ex. partiell hydrolys.
För att utröna om den ökade metanproduktionen berodde på en pH-effekt eller på en kombination av pH-förändringar och elektrokemiska effekter på biomassan gjordes en serie kompletterande rötningsförsök, där slammet från de två kamrarna rötades separat efter neutralisering till pH 6,9. Metanproduktionen vid rötning av dessa båda slam jämfördes med rötning av slam som förbehandlats med syra (HCl) resp. alkali (NaOH) till motsvarande pH och samma reaktionstid och som neutraliserats till pH 6,9. Här framkom att metangasproduktionen var i stort den samma även om tidsförloppet under rötningen var olika. Således konstaterades att förbehandlingen med elektrolys i två kammare med skiljemembran berodde på pH-effekten.
En jämförande energianalys av förbehandling av överskottsslam med elektrolys med andra tillgängliga förbehandlingsmetoder genomfördes. Med elektrolys kan gasproduktionen öka från 1,9 kWh/kg TS tillfört utan behandling till 2,9 kWh/kg TS tillfört. Energiförbrukningen ökade från 0,54 till 1,23 kWh/kg VS nedbrutet. Den ökade energiförbrukningen täcks med råge av den ökade energiproduktionen genom metangasproduktionen. Termisk hydrolys ger samma gasproduktion men erfordrar en högre energitillförsel (2,04 kWh/kg VS nedbrutet). Övriga förbehandlingsprocesser med ultraljud, kvarnar eller högt tryck ger ett läge gasutbyte samtidigt som de erfordrar mer energitillförsel.
Slutsatser
Följande slutsatser kunde dras av undersökningen:
- Elektrolys av biologiskt överskottsslam, där anod och katod separerats med ett jonbytesmembran, ökade slamhydrolysen och nedbrytningen av slammet vid anaerob rötning.
- Förklaringen till förbättringen kan helt tillskrivas pH-effekten.
- Genom att blanda slammen från de två kamrarna erhölls en neutralisering utan erforderlig kemikalietillsats.
- Processen gav ett positivt energiutbyte och gasproduktionen ökade med omkring 35 %.
- Försöken genomfördes som ett test av konceptet och det föreligger möjligheter till optimering av processen genom att välja annan spänning, annan uppehållstid, andra typer av elektroder och olika koncentration av överskottsslammet.
Källa: W. Charles, B. Ng, R. Cord-Ruwisch, L. Cheng, G. Ho, A. Kayaalp. Enhancement of waste activated sludge anaerobic digestion by a novel chemical free acid/alkaline pretreatment using electrolysis. Water Science & Technology 67.12 (2013) pp 2827 – 2831.
Hela artikeln från Water Science & Technology finns att köpa här
