Nyttjande av biomassa från alger är potentiellt intressant. Högbelastade biodammar, HRAP, kan få ökad produktion av algbiomassa om alger separeras vid utloppet och recirkuleras. Det ger också möjlighet att påverka algarterna i dammen. Energitillskott om 66% i skörden, jämfört med referensdamm har uppnåtts vid pilotskaleförsök i Nya Zeeland
Av: Jörgen Hanaeus
Arbetet avser att öka utvunnen energi från högbelastade biodammar, HRAP, ofta byggda som kanaler med cirkulation, liknande ringkanaler. (HRAP = High Rate Algal Ponds). Utgångsmaterial är grovrenat avloppsvatten som cirkulerar med hjälp av ett paddelhjul. Via solbelysning bildas alger och man söker optimera utbytet för energiutvinning ur bildad biomassa. Två års försök har visat på möjligheten att stimulera andelen separerbara alger genom recirkulation av bildat algslam från den sedimenteringskon som hör till varje kanalsystem.
Härigenom gynnades separerbara alger som visade sig underhand kunna konkurrera ut de tidigare dominerande svåravskiljda algerna. Ett viktigt budskap var att inte bara räkna produktion av biomassa, utan inkludera begreppet separerbarhet också. Genom recirkulationsmetoden ökade den separerbara mängden biomassa med 66 % jämfört med referenskanalen.
Bakgrund
Utnyttjande av algbiomassa har länge varit en stimulerande utmaning, t ex eftersom de bedöms kunna producera mer än 20 ggr mer olja (biobränsle) jämfört med markbundna grödor som soja och raps. De tekniska lösningar som diskuteras anses dock ännu för dyra.
En möjlighet är att utgå från näringen i avloppsvatten och låta solljuset skapa alger i vattnet.
Grundidén kallas biodammar i VA-världen, men konceptet utvecklas, t ex i form av HRAP: högbelastade dammsystem i kanalutformning där vattnet cirkulerar med hjälp av ett roterande paddelhjul och med begränsat vattendjup, några dm, exponeras effektivt mot solljuset.
När man diskuterar mängd producerad biomassa i ett sådant system bör man även ta hänsyn till den utvinningsbara mängden; dvs den andel av biomassan som kan skördas och vidarebehandlas. Ett villkor för detta är att algerna kan separeras från avloppsvattnet, vilket är ett känt problem från äldre biodammsdrift.
Försök
Två pilotskalesystem byggdes och drevs under två år. Vart system var byggt som en rundbana med ytan 31,8 m2 och ett djup av 0,3 m med ett paddelhjul som drev det grovrenade avloppsvattnet runt med en hastighet av ca 0,15 m/s. Vattnet hade spätts 1:1 med kranvatten för att simulera en återföring av renat vatten. Strax uppströms paddelhjulet fanns möjlighet att ta vatten från kanalbotten till en sedimenteringskon för att skapa ett algslam. Flödet blev 1 m3/d vintertid och 2 m3/d sommartid, vilket gav de hydrauliska uppehållstiderna 4 d på sommaren och 8 d på vintern.
CO2 tillsattes dammarna för att undvika kolbrist och hålla pH under 8,0. År ett recirkulerades 1 l/d algslam från sedimenteringskonen tillbaka till kanalen i det ena systemet. Det andra drevs utan recirkulation som kontroll.
Inkommande avloppsvatten höll omkring 30 mg NH4-N/l och 5 mg PO4-P/l. Det första året var N-separationen 86-98 % och P-separationen 50-75 % i de båda systemen.
Resultat
I slutet av år ett var algkulturerna olika i de två systemen trots lika storlek och belastning. Systemet utan recirkulation dominerades (90 %) av algen Dictyosphaerium som har dåliga sedimenteringsegenskaper. Systemet med recirkulation dominerades (92 %) av en väl sedimenterande alg: P. boryanum.
År två började med att en liter av algslammet med P. boryanum fördes till systemet som varit utan recirkulation det första året, varefter recirkulation genomfördes på samma sätt som i det system som gått med recirkulation år ett. Efter ca tre månader dominerades även det förändrade systemet av P. boryanum. Skördeutfallet ökade därigenom från ca 50 % av biomassan till drygt 80 %. Energiinnehållet i skörden mättes med kalorimeter.
Storleksfördelningen inom algpopulationerna mättes månadsvis med bildanalys. Man noterar även att totalvolym biomassa är ett mer adekvat mått än räknat antal celler eftersom dessa varierar i storlek.
Beträffande produktiviteten ökade recirkulationen denna under första året från 9,2 g/m2,d i referenssystemet (utan recirkulation) till 10,9 g/m2,d i systemet med recirkulation. Adderar man den bättre separerbarheten vid recirkulation (63 % resp 85 % av producerade biomassa), kunde man utan recirkulation skörda 5,8 g/m2,d jämfört med recirkulationssystemets 9,2 g/m2,d.
Sedimenteringen gynnade de större P. buryanum som alltså återfördes i recirkulationssystemet. Mätningar visade att 55 % av kolonierna i den skördade biomassan hade en diameter >35 µm; motsvarande siffra i det cirkulerande vattnet var 25 %.
Under det andra försöksåret producerade de båda systemen (båda nu med recirkulation) lika mängder skördbar biomassa: sommartid (Nya Zeeland) 11 g/m2,d och vintertid 4,5 g/m2,d.
Nettoproduktionen minskade under några perioder, då Daphnior och inte minst Moina sp betade av alger.
Överfört till energiinnehåll (kalorimetriskt bestämd) innebar recirkulationen med tillhörande byte av dominerande algart en ökning av skördbar mängd från 118 kJ/m2,d till 195 kJ/m2,d.
Anläggningen har använts och beskrivits bättre (bl a avseende organiskt material) i tidigare artiklar. Dessa finns refererade i här beskriven artikel.
Slutsatser
Introduktion av recirkulation av sedimenterad biomassa i en HRAP-anläggning medförde en förändring av dominerande algart till en bättre sedimenterbar sådan (P.buryanum). Förändringen var uthållig under försöksperioden.
Separation av alger har genom åren visat sig svårt, bl a eftersom algerna har en densitet nära 1 som de dessutom kan påverka med sitt gasinnehåll. Den visade lösningen med recirkulation är mycket intressant och ett resurssnålt sätt att få till stånd separationen. Det återstår dock ytterligare ett steg i energiframställningen, t ex rötning.
Algproduktion i kommunala avloppsvatten är naturligtvis tacksammare i Nya Zeeland än i Sverige av temperaturskäl. Svenska HRAP-försök har genomförts i Östersundsregionen av Erik Grönlund vid LTU för ca 10 år sedan; dock utan recirkulation.
Källa: Park, J.a), Craggs, R.a), Shilton, A.b) (2013) Enchancing biomass energy yield from pilot-scale high rate algal ponds with recycling.Water Research, pp 4422-4432.
a) National Institute of Water and Atmosheric Research Ltd (NIWA), P.O. Box 11-115, Hamilton, New Zealand
b) School of Engineering and Advanced Technology, Massey University, Private Bag
11 222, Palmerston North, New Zealand.
Hela artikeln finns att köpa här.
Korrespondens (Park): j.park@niwa.co.nz
