Homogenisering av slam vid högt tryck och tvåfas anaerob rötning är var för sig två beprövade metoder för att förbättra rötbarheten av kommunala slam. Studien visar att det kan finnas synergieffekter om en kombination av processerna används.
Av: Bengt Andersson
Hydrolyssteget i rötningsprocessen är viktigt för sönderdelningen och omformningen av partikulärt organiskt material till enklare substrat och det är normalt hastighetsbegränsande vid rötning av komplexa slam. Biologiskt överskottsslam är svårt att bryta ned eftersom det innehåller mikrobiella celler och extracellulära polymeriska substanser (EPS), som är mera motståndskraftiga vid hydrolys och här kan någon typ av förbehandling av slammet skapa förbättrade förutsättningar.
Homogenisering vid högt tryck (HPH) är en mekanisk förbehandlingsprocess som är mindre energiintensiv än andra mekaniska metoder. Tvåfasrötning (2PAD) med en uppdelning av syrasteget och metansteget är en teknik som har visat sig kunna öka mängden biogas, förbättra reduktionen av partikulärt material och öka reduktionen av patogener jämfört med traditionell mesofil rötning. 2PAD kan drivas termofilt/termofilt eller termofilt/mesofilt.
HPH och 2PAD har var för sig visat sig förbättra biogasproduktionen och nedbrytningen av partikulärt organiskt material men effekten av en kombination av HPH och 2PAD har inte belysts tidigare. Syftet med undersökningen var att som första hypotes visa att kombinationen av processerna kan ge en högre rötningsgrad och en högre nettoenergiproduktion än vad processerna kan uppnå var för sig. Den andra hypotesen var att visa att förbättringsnivån vid termofil enstegsrötning är svårare att urskilja än vid mesofil rötning på grund av den högre temperaturen vid termofil rötning.
Genomförande av försöken
Försöken utfördes i laboratorieskala med slam från Kelowna Wastewater Treatment Plant i Kanada. Slammet bestod dels av ett fermenterat primärslam dels av ett förtjockat överskottslam och slammen blandades före rötning i proportion 33/67 volymprocent.
Förbehandling genom HPH gjordes enbart av överskottslammet eftersom primärslammet hade bättre nedbrytningsegenskaper. HPH bygger på att det skapas ett högt tryck genom att slammet pumpas genom en trång öppning med hjälp av en luftpump av förträngningstyp. Trycket regleras av en homogeniseringsventil som skapar ett abrupt kraftigt tryckfall som ger höga skjuvkrafter på slammet så att slampartiklar och cellmembran slås sönder och intracellulärt material frigörs. Laboratorieutrustningen för HPH kunde behandla slam med en TS-halt upp till 2,3 %. För att undvika igensättning av och driftproblem med homogeniseringsventilen erfordrades en dosering av natronlut till överskottsslammet. Olika tryck och doseringar testades och baserat på inledande test valdes en dosering av 0,009 g NaOH/kg TS och ett tryck av 12000 psi för rötningsförsöken.
För rötningsförsöken användes 12 rötkammare i 6 olika konfigurationer. Två parallella 2PAD-linjer belastades med slam där överskottsslammet förbehandlats genom HPH. Den ena linjen var uppbyggd med en termofil kammare för syrasteget (SRT 2 dygn) och två termofila kammare för metansteget (SRT 7, 14 och 20 dygn). Den andra linjen var identisk med den första men de två termofila kamrarna hade ersatts av två mesofila kammare. Två andra 2PAD-linjer identiskt uppbyggda som de två första belastades med obehandlat slam. Två referenser med enstegs mesofil respektive termofil rötning användes för jämfördes med konfigurationerna med 2PAD. Dessutom kompletterades försöken med två linjer lika referenslinjerna, som belastades med förbehandlat slam.
Resultat
Både kemikaliedosering och tryck vid HPH gav en ökad solubilisering av partikulärt COD. Trycket hade störst effekt och ju högre tryck desto större ökning (som mest cirka 27 %). HPH gav en ökad koncentration av biopolymerer (18.5 % för sockerarter och proteiner och drygt 30 % för humussyra) och partikelstorleken minskade med mellan 35 och 58 %.
Med en kombination av HPH + 2PAD uppnåddes maximal specifik metanproduktion jämfört med övriga alternativ (mellan 75 och 81 % bättre än referensen för mesofil rötning och mellan 45 och 54 % för termofil rötning), maximal avskiljning av organiskt material (mellan 20 och 26 % för mesofil rötning och mellan 9 och 11 % för termofil rötning), maximal reduktion av erforderlig rötkammarvolym och maximal reduktion av patogener i det rötade slammet (mellan 1,4 och 1,8 log reduktion bättre än referensen vid mesofil rötning).
Förbehandling före mesofil enstegsrötning ökade gasproduktionen med 27 % medan 2PAD ökade produktionen med 46 % i förhållande till referenslinjen. HPH + 2PAD ökade gasproduktionen med 79 %, vilket är mer än summan av effekten av HPH och 2PAD var för sig och styrker den synergistiska effekten av kombinationen av HPH och 2PAD. För termofil rötning uppnåddes inte samma effekt utan här var summan av de enskilda effekterna något högre än för den kombinerade processen.
Som alternativ innebar enbart 2PAD en enklare förbehandlingsteknik med en högre specifik metanproduktion (mellan 55 och 73 % bättre än referensen för mesofil rötning och mellan 40 och 50 % för termofil rötning), en högre biologisk nedbrytning (mellan 14 och 24 % vid mesofil rötning och mellan 3 och 11 % vid termofil rötning) och en högre reduktion av patogener (mellan 1,5 och 2,4 log reduktion bättre än referensen vid mesofil rötning). Dessutom erhölls en störst nettoenergiproduktion för 2PAD (4,76 resp. 4,63 GJ/ton CODtillf vid 20 resp. 14 dygns SRT) jämfört med HPH + 2PAD (4,48 resp. 3,98 GJ/CODtillf).
Reduktionen av koliformer påverkades mer av temperaturen än av förbehandlingen genom HPH. Störst effekt uppnåddes vid termofil rötning, där det inte förelåg någon skillnad mellan referensen och övriga alternativ.
Samtliga konfigurationer genererade en nettoenergiproduktion. Även om HPH + 2PAD producerade störst mängd biogas var nettoenergiproduktionen mindre än för 2PAD beroende på energibehovet för förbehandlingen. TS-koncentrationen i överskottsslammet vid HPH hade stor betydelse för energibehovet och för nettoenergiproduktionen. Vid försöken begränsades TS-halten till 2,3 % beroende på försöksutrustningen men i fullskaleapplikationer har HPH-system klarat TS-halter mellan 6 och 10 %. Energiberäkningar visade att nettoenergiproduktionen för HPH + 2PAD kunde bli större än för 2PAD om TS-halten i överskottsslammet översteg 3 à 4 %.
Slutsatser
Två hypoteser ställdes upp inför försöken och studien visade att
- med en kombination av homogenisering vid högt tryck (HPH) och tvåstegs anaerob rötning (2PAD) uppnåddes störst specifik metanproduktion vid olika SRT både för mesofil och för termofil rötning, vilket bekräftade den första delen av den första hypotesen,
- nettoenergiproduktionen var större för 2PAD än för HPH + 2PAD beroende på energiförbrukningen vid förbehandlingen genom HPH, vilket förkastade den andra delen av den första hypotesen,
- energibehovet för HPH i hög grad var avhängigt av TS-halten i överskottsslammet och med en TS-halt i överskottsslammet överstigande 3 á 4 % skulle HPH + 2PAD även kunna generera störst nettoenergiproduktion och
- förbättringen av en förbehandling med HPH + 2PAD i förhållande till enstegsrötning var större för mesofil rötning än för termofil rötning, vilket bekräftade den andra hypotesen.
Källa: A.K. Wahidunnabi, C. Eskicioglu. High pressure homogenization and two-phased anaerobic digestion for enhanced biogas conversion from municipal waste sludge. Water Research 66 (2014) pp 430 – 446.
