Förbehandling av ett överskottsslam genom dosering av fritt ammonium före anaerob rötning ökade både metanproduktionen och hydrolyshastigheten signifikant. Internt rejektvatten med pH-justering kunde utnyttjas som råvara
Av: Bengt Andersson
Genom en rötningsprocess återvinns omkring 5 – 7 % av tillgänglig energi i avloppsvattnet i form av metangas och det täcker omkring 1/3-del av energibehovet för reningen av avloppsvatten. En begränsande faktor är rötningen av överskottslammet från den biologiska reningen, som har en svag biokemisk metanpotential och en låg hydrolyshastighet. Olika tekniker för förbehandling av överskottsslammet har prövats, vilka har medfört en ökad gasproduktion, dock ofta till priset av en hög kemikalie- eller elenergiförbrukning.
Försök med förbehandling av överskottsslammet med en hög dos salpetersyrlighet (HNO2) har visat att metanproduktionen kan öka med mellan 10 och 30 %. Metoden är lovande och ekonomiskt attraktiv genom att HNO2 kan bildas in situ vid behandling av rejektvattnet i en sidoströms nitritationsanläggning. En sidoströms nitritationsprocess finns dock vanligtvis inte och ett alternativ kan istället vara en förbehandling med en hög dos av fritt ammonium NH3 (FA). FA kan även bildas in situ genom pH-ökning av rejektvattenströmmen, som innehåller höga halter ammonium.
Syftet med refererad studie var att utvärdera effekten av förbehandling med dosering av fritt ammonium till ett överskottslam på metanproduktionen vid anaerob rötning.
Genomförande
Försöken genomfördes med ett överskottsslam från reningsverket i Brisbane och som ymp för försöken utnyttjades rötslam från samma reningsverk.
Förbehandlingen genomfördes som 7 parallella batchförsök vid en temperatur av 25 oC under 24 timmar. Förbehandling med FA gjordes i fyra linjer genom dosering av ammonium mellan 100 och 800 mg NH4+-N/l, vilket vid en ökning av pH till 10 motsvarade en FA-halt mellan 85 och 680 mg NH3-N/l. För en jämförelse justerades pH till 10 i en linje och dessutom doserades 800 mg NH4+-N/l i en linje utan pH-justering. En linje utan förbehandling användes som kontroll.
Metanpotentialen bestämdes i serumflaskor med volym av 100 ml. Flaskorna tillfördes 80 ml ymp och 20 ml förbehandlat slam. pH i samtliga flaskor justerades till 6,9. Försöken pågick under 50 dygn tills gasproduktionen avtagit. Bildad gasvolym mättes regelbundet i tiden. Metanpotentialen B0 (l CH4/kg VStillf.) och hydrolyshastigheten k (d-1) bestämdes genom en kinetisk modell av första ordningen. Två olika modeller användes, en modell med ett substrat och en modell med två substrat (snabbt resp. långsamt nedbrytbart substrat).
Resultat
TS och VS i överskottslammet före och efter förbehandling var den samma i samtliga linjer. Upplösningen av slammet genom förbehandlingen i kontrollinjen och i linjen med dosering av ammonium utan pH-justering uppgick till cirka 0,03 mg SCOD/mg VS medan upplösningen i övriga linjer var cirka 0,4 mg SCOD/mg VS.
Förbehandling med en dosering av 250 – 680 mg FA/l gav en signifikant ökning av metanproduktionen, där en dosering av 420 mg/l gav störst ökning. Metanproduktionen i linjerna med en dosering av 85 mg FA/l och med enbart en pH-justering till 10 var densamma, vilket indikerade att ingen effekt uppnåddes av FA-dosen utan enbart på grund av pH-justeringen. Dosering av ammonium gav samma metanproduktion som kontrollinjen, vilket indikerade att ammoniumdoseringen inte hade någon effekt. Den ökade produktionen genom förbehandling med de högsta FA-doseringarna berodde därför mer på en dosering av FA än på pH-justering eller ammoniumdosering.
Bestämningen av den biokemiska metanpotentialen och hydrolyshastigheten gjordes med två olika modeller. Med modellen med ett substrat erhölls högre B0 och k vid förbehandling med en dosering av 250 mg FA/l eller mer. Vid en dosering 420 och 680 mg FA/l erhölls en ökning av B0 med 22 % (från 160 till 195 l CH4/kg VStillf.) och av k med 140 % (från 0,22 till 0,53 d-1) i förhållande till kontrollinjen. Vid försöken med en dosering av 85 mg NH3-N/l samt med en pH-justering till pH 10 påverkades inte B0 medan k ökade i motsvarande grad som för de högre FA-doseringarna. Förbehandling med dosering av ammonium gav ingen förändring av vare sig B0 eller k.
Bestämningen av potentialen baserat på en modell med två substrat (snabbt nedbrytbart och långsamt nedbrytbart) gav en något bättre anpassning till mätdata. Med en dosering av 250 mg FA/l eller mer ökade B0 för det lättnedbrytbara substratet från 121 till 155 – 161 l CH4/kg VStillf. (en ökning med 28 – 33 %) och k från 0,33 till 0,54 – 0,68 d-1 (en ökning med 63 – 100 %). B0 och k för det långsamt nedbrytbara substratet visade ingen signifikant förändring i förhållande till kontrollinjen och påverkades således inte av förbehandlingen med FA. För båda substraten sammantagna ökade B0 från 177 till 212 l CH4/kg VStillf., vilket motsvarade en ökning med drygt 20 %.
En ytterligare bearbetning av erhållna resultat indikerade att med en dosering av 420 mg FA/l ökade nedbrytningen av överskottsslammet från 23 % för kontrollinjen till 32 %, vilket innebar en sammanlagd ekonomisk besparing av cirka 0,5 $/p.e.*år och en minskning av emissionerna med cirka 3 kg CO2/p.e.*år. Genom att förbehandlingen med FA helt kunde genomföras med interna råvaror i form av ammonium i rejektvattnet erhölls ett bra exempel på ett paradigmskift från linjär till cirkulär ekonomi.
Slutsatser
Refererad studie med förbehandling av överskottsslam genom dosering av fritt ammonium (FA) visade att
- förbehandling med en FA-dos högre än 250 mg/l förbättrade metanproduktionen vid rötningen
- förbehandling med en FA-dos högre än 250 mg/l förbättrade både den biokemiska metanproduktionen och hydrolyshastigheten
- förbehandling av ett överskottsslam med FA var både ekonomiskt och miljömässigt gynnsam, där nyckelkemikalien är förnybar och producerades in situ från rejektvattnet
Källa: W. Wei, X. Zhou, D. Wang, J. Sun, Q. Wang. Free ammonia pre-treatment of secondary sludge significantly increases anaerobic methane production. Water Research 118 (2017), pp 12 – 19.
