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 så att separerbarheten förbättras. Artikeln är en fördjupning av orsakssammanhangen i konceptet som presenterades i en artikel i Internationell VA-utveckling nr 5/2013.
Av: Jörgen Hanaeus
Arbetet avser att öka utvunnen energi från högbelastade biodammar, HRAP, ofta byggda som kanaler med cirkulation (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. Här har returflödet försöksmässigt uppdelats i löst resp partikulär fraktion. Tolv 18-liters behållare har drivits inkl kontrollsystem utan recirkulation. Recirkulationen ökade andelen sedimenterade partiklar med 20 % och biomasstillväxten med > 25 %. Storleken på partikelaggregaten ökade.
Artikeln
Utnyttjande av algbiomassa har länge varit en stimulerande utmaning 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. Författarna strävar efter att optimera energiuttaget ur HRAP-system och intresserar sig också för säsongseffekter.
Försök
Tolv lab-system i form av plastbehållare, vardera med 18 l vatten till 0,3 m djup och metallfolieisolerade längs omkretsen för att enbart släppa in solljus via ytan. Experimenten drevs under tre säsonger om vardera knappt 40 dygn; höst, vinter och vår (Nya Zeeland).
Avloppsvatten hämtades från två pilotskalesystem som byggdes och drevs under två år. Vart pilotsystem 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. Algslam, 1 l/d, recirkulerades 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 recirkulationsfria systemet. Dessa vatten filtrerades genom 200 µm för att undvika betande Daphnia sp. och Moina sp. I det recirkulerande systemet dominerade den väl sedimenterande Pediastrum boryanum och i det andra systemet den svårare separerbara Dictyosphaerum
Tre lab-behållare från vardera kanalen recirkulerades, tre drevs utan recirkulation. Varje dag fördes 2,5 ml sedimenterad algbiomassa från pilotsystemets sedimenteringskon som recirkulation till hälften av lab-behållarna. Den hydrauliska uppehållstiden i lab-behållarna följde pilotsystemens genom daglig tillsats av en liten mängd nytt avloppsvatten.
I tredje säsongens experiment drevs de tolv lab-behållarna med recirkulerat vatten, alla sålunda dominerade av P boryanum
Produktiviteten mättes via algbiomassans tillväxt med avdrag för recirkulerad massa. Sedimenterbarheten mättes efter 1 h i Imhoffkon. Algernas volym, biovolymen mättes via bildanalys i mikroskop liksom kolonistorleken.
På försökens avslutningsdag kördes partikelstorleksfördelning i utgående vatten med laserdiffraktion; 0,45 – 2000 µm.
Resultat
Den första säsongens försök bekräftade den tidigare erfarenheten att recirkulationen gynnade den väl sedimenterande algen P. boryanum. I det recirkulerande system som initiellt dominerades av Dictyosphaerium hade P. boryanum efter 39 dygn ökat från ca 10 till 67 % medan den förra minskade från 50 till mindre än 10 %. Effekten uppkom i såväl lab- som pilotskalan.
Den selektiva skörden och återföringen har påvisats tidigare i historien, men författarna menar att här är det första gången metoden visats fungera mellan alger av jämförbar storlek.
I den tredje säsongens försök iakttogs skillnaderna mellan recirkulation av fast och löst material. Recirkulationen av fast material gav en bibehållen dominans av P.boryanum om ca 90 % efter 39 dygn, vilket var lika som för den ocentrifugerade vätskan. Sedimenteringseffekten blev också lika; 79 % av partiklarna sjönk inom en timme.
Däremot sjönk dominansen av P. boryanum vid återföring av enbart den lösta massan till ca 70 % vilket liknade den minskning som inträffade i systemet utan fortsatt recirkulation (från 90 till 67 %). Sedimenteringseffekten sjönk också till ungefär 60 % av partiklarna inom en timme. De sistnämnda systemens andel av Dictyosphaerium ökade samtidigt från 5 till ca 30 % efter 39 dygn.
Mätningar av partikelstorleken visade att recirkulationen ökade den övre storleksgränsen för algpartiklarna från 400 µm till 1500 µm.
Beträffande produktionen av biomassa var den 36 % större vid recirkulation jämfört med referensen. Recirkulation av löst biomassa gav dock obetydlig ökning relativt referensen.
Analyserna kunde skilja mellan algbiomassa och bakteriell biomassa och frågan om produktionsökningen vid recirkulation bestod av bakterier kunde besvaras med nej (60 % alger, 5 % bakterier). En annan fråga gällde om P. boryanum hade högre tillväxthastighet än andra algslag. Odling under konstanta betingelser visade något lägre tillväxthastighet för P boryanum (0,22 d-1) jämfört med Scenedesmus sp. och Micractinium sp (0,24 resp 0,27d-1).
Beträffande tillväxthastighetens beroende av kolonistorleken refererades till en studie av Scenedesmus armatus där tillväxthastigheten rapporterades vara störst då cellerna nådde ca 80 % av sin fulla storlek.
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 av samma storlek i pilotskala som i labskala och sedimenteringseffekten ökade med 20 %.
Recirkulationen höjde nivån på de största algaggregaten från 400 µm till 1500 µm.
Orsaken till ökad tillväxt tros vara den ökade celluppehållstiden vid recirkulation, ”slamåldern”, som medgav längre kontakt med solljuset för genomsnittsalgen.
En ändring av algernas medelålder kan också tänkas påverka tillväxthastigheten.
Det kan vara intressant att följa ”aktiv-alg”-arbetet även på våra breddgrader. Biodammar finns ännu i arbete och i dammsystem finns sommartid potential att öka effektiviteten både ur produktions- och reningsperspektiv.
Källa: Park, J.a), Craggs, R.a), Shilton, A.b) (2013) Investigating why recycling gravity harvested algae increases harvestability and productivity in high rate algal ponds. Water Research 47, pp 4904-4917.
Hela artikeln finns att köpa här.
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.
Korrespondens (Park) j.park@niwa.co.nz
