Möjliga mekanismer för att förklara en ökad metanproduktion vid tillsats av ZVI eller Fe3O4 undersöktes för varje delsteg i rötningsprocessen. ZVI gav en markant ökning av metanproduktionen genom metanogenes medan Fe3O4 hämmade metansteget men stimulerade hydrolys och fermentering med en ökad substratproduktion för metanogenerna.
Av: Bengt Andersson
Anaerob rötning av avloppsslam är en viktig process i ett hållbarhetsperspektiv. Processens prestanda har försökt förbättras genom olika typer av förbehandling med i många fall positiva resultat men där förbättringarna inte kunnat kompensera för den ökade energiförbrukningen, som metoderna erfordrat.
Exogena tillsatser av rent järn (ZVI, zero valent iron) har gett lovande resultat med en ökning av metanproduktionen på mellan 10 och 60 %. Tillsats av järnoxider (Fe3O4) har även undersökts med varierande resultat. Fördelarna med tillsats av järn i olika former är att ingen ytterligare energitillförsel erfordras och att kostnaderna för tillsatserna är låga. Resultaten är metadels positiva med en ökad metanproduktion men förklaringen av mekanismerna är oklara och ibland motsägande.
Syftet med refererad studie var att genom systematiska försök demonstrera vilka potentiella synergistiska mekanismer, som är involverade i förbättringen av metanproduktionen genom tillsats av järn. Försöken utfördes genom att studera inverkan i detalj i vart och ett av de involverade fyra stegen i rötningsprocessen (upplösning, hydrolys, fermentering och metanbildning).
Genomförande
Försöken genomfördes i laboratorieskala med överskottsslam från avloppsreningsverket i Chunliu i Kina. Rötslam för ymp togs från ett annat verk. Påverkan på hela rötningsprocessen bestämdes i flaskförsök med överskottsslam, ymp och tillsatser. I en uppsättning flaskor tillsattes 10 g/l av ZVI, i en annan 10 g/l Fe3O4 och i en tredje gjordes ingen tillsats (referens).
Bestämning av påverkan på upplösningen av organiskt material gjordes genom mätning av halterna löst protein och kolhydrat i slammet efter 2 dygn med och utan tillsatser. Påverkan på hydrolyssteget värderades med en blandning av bovin serum albumin (BSA) och dextran med en ymp från en rötkammare i laboratorieskala med utan tillsats av ZVI resp. Fe3O4. För att exkludera metanbildning tillsattes SBES (2-brometansulfonat).
Effekten på fermenteringen gjordes med två olika syntetiska avloppsvatten, ett vatten innehållande aminosyror och ett vatten innehållande glykos. Ymp samt ZVI resp. Fe3O4 tillsattes och produktionen av fettsyror (VFA) mättes under fermenteringen.
Hydrogenotrofa och acetotrofa metanogener kan bilda metan av två olika substrat, H2/CO2 resp. acetat. Försök gjorde med syntetiskt avloppsvatten med natriumacetat för test vid acetotrofa förhållanden resp. väte och koldioxid vid hydrogenotrofa förhållanden. Ymp tillsattes till försöken med och utan järntillsatser. Metanbildning genom syntrofisk metabolism undersöktes även, där en kultur av Syntrophomonas och Metanospirillum tillsattes med butyrat som substrat.
Resultat
Rötningsförsöken i flaskor under 22 dygn visade att metanproduktionen ökade med 21 % vid tillsats av ZVI och med 30 % vid tillsats av Fe3O4 i förhållande till referensen utan tillsats. Tillsatserna förbättrade även avskiljningen av TCOD, TSS och VSS i motsvarande grad. Resultaten överensstämde väl med vad som rapporterats från andra studier.
Effekterna av tillsats av ZVI och Fe3O4 på varje delprocess vid rötningen visade att såväl löst protein som kolhydrater ökade i upplösningssteget vid tillsats av Fe3O4 med 26 resp. 33 % i jämförelse med referensen. Däremot erhölls ingen skillnad vid tillsats av ZVI i jämförelse med referensen.
Nedbrytningen av protein efter fyra dygn genom hydrolys ökade kraftigt vid tillsats av Fe3O4 medan tillsats av ZVI inte visade någon effekt på proteinhydrolysen i jämförelse med referensen. Hydrolysen av kolhydrater var fullständig redan efter 2 dygn i samtliga försök och ingen skillnad kunde noteras. Vid tillsats av Fe3O4 konstaterades att aktiviteten av verksamma enzym vid hydrolys, protease och a-glykodiase, ökade med 63 resp. 27 % i jämförelse med referensen.
Resultatet av fermentering visade att produktionen av VFA antingen från aminosyror eller från monosackarider var mycket högre vid tillsats av Fe3O4 än i referensen. Produktionen av acetat var 1,6 gånger större med aminosyror och 1,75 gånger större med monosackarider jämfört med referensen. Då ZVI tillsattes var bildade VFA av samma storlek som i referensen.
Efter 8 dagars rötning visade försöken med metanbildning att tillsatsen av Fe3O4 hade en negativ inverkan på metanbildningen vid acetotrof metanogenes, vilket berodde på konkurrens om elektronerna. Tillsats av ZVI hade ingen påverkan på metanbildningen jämfört med referensen. Vid hydrogenotrof metanogenes visade tillsats av Fe3O4 en liten minskning av metanproduktionen medan tillsats av ZVI ökade metanproduktionen med omkring 70 %. Metanproduktion från syntrofisk metabolism visade att tillsats av ZVI stimulerade metanproduktionen medan Fe3O4 medförde en minskning med cirka 15 %.
Slutsatser
Systematiska försök för att belysa mekanismerna bakom den ofta rapporterade positiva effekten av tillsats av ZVI och Fe3O4 vid anaerob rötning av ett överskottslam från en aktivtslamprocess visade att
- tillsats av ZVI hade ingen effekt på upplösning, hydrolys eller fermentering men förbättrade kraftigt metanbildningen genom att gynna hydrogenotrof och syntrof metanogenes med omkring 70 % jämfört med referensen
- Fe3O4 som elektronacceptor konkurrerade om elektronerna med metanogenerna och hämmade därför metanogenes men förbättrade upplösning, hydrolys och fermentering genom dissimilativ reduktion av järnet med en ökning av mängden substrat för metanogenerna
- genom påvisade mekanismer skapades ett bättre underlag för en bredare användning av ZVI och Fe3O4 vid praktiska applikationer
Källa: Z. Zhao, Y. Zhang, Y. Li, X. Quan, Z. Zhao. Comparing the mechanisms of ZVI and Fe3O4 for promoting waste-activated sludge digestion. Water Research 144 (2018), pp 126 – 133.
