Slamfrysning och tinande som förbehandling till elproduk

Mikrobiella bränsleceller kan producera el från löst organiskt material. Avloppsslammets halt av löst material kan ökas genom att slammet fryses och därefter tinas. Försök i Kina visar att elproduktionen kan ökas med minst 10% efter slamfrysning.

Av: Jörgen Hanaeus

Effekten av slamfrysning och tinande på halten löst COD i slamvattnet har undersökts i lab-skala. Slammet har efter frysning och tinande använts som substrat i en mikrobiell bränslecell där elproduktionen förväntas öka med halten löst COD. Så blev också fallet och den maximala elproduktionen ökade med ca 10 % till 10,2 W/m³ gentemot referensslammet och den totala COD-reduktionen blev 66 % efter 48 h frysning, 12 h tinande och ungefär en veckas drift av bränslecellen.

Bakgrund

Som alternativ till rötning av avloppsslam kan utnyttjandet av det organiska materialet ske i mikrobiella bränsleceller, där bakteriell aktivitet i lämpligt utformade elektroder genererar elektrisk ström i en strömkrets, varvid CO₂ avgår. Till nyttan av genererad elektricitet kommer alltså en reduktion av organiskt material i slamvattnet.

Av särskilt intresse här var om en lämplig förbehandling av slammet kunde öka halten av löst COD i slamvattnet och i förlängningen ge en ökad elgenerering i den mikrobiella bränslecellen. Bland metoder som mekanisk sönderdelning, termisk hydrolys och ultraljudsbehandling valdes här att prova frysning och tinande som förbehandling. Det är i många regioner en enkel och ekonomisk metod om den skulle uppfylla förhoppningarna.

Försök

Utgångsslammet togs från mellansedimenteringen i en kommunal avloppsanläggning i Harbin, Kina. Verket har anoxiska/oxiska processer med en slambelastning av 0,13 kg BOD₅/kg MLSS och dygn samt en slamuppehållstid av 17 dygn i vattenbehandlingen.

Det uttagna slammet förtjockades genom sedimentering till 3 % TS. Slamkarakteristika i övrigt: Tot COD 27 g/L, löst COD 1g/L, alkalinitet ca 1 g HCO₃^–/L, TS 2,9 % och VS 19 g/L. NH⁺₄-N i slamvattnet var ca 70 mg/L.

Slammet frystes med sju prov om 120 mL i 250 mL-bägare i -20 °C. Infrysningstiden varierades mellan 12 och 84 h och tinandetiden valdes till 12 h. Slamvätskan provtogs efter centrifugering vid 4000 varv/min.

Efter tinandet samlades slammet i en cylindrisk anodvolym, φ=12 cm H=10 cm, med grafitelektrod som med hjälp av magnetomrörare inokulerades tills bakterier koloniserat elektrodytan och börjat producera ström. Katoden hade kubisk geometri med sidorna 6x6x10 cm och en liknande grafitelektrod. Katodvätskan var ferricyanid, K₃Fe(CN)₆ i fosfatbuffert.

Elektroderna förenades med titankabel.

Bränslecellförsöken genomfördes satsvis vid rumstemperatur. Slam från frystiderna 24,36 resp 48 h och 12 h tinande provades i bränslecellerna.

Frys/tinandeförbehandlingens effekt: desintegrationseffekten, mättes som skillnaden i löst COD efter och före behandling dividerad med skillnaden mellan max lösligt COD (mätt efter förstörelse av samtliga bakterieceller med NaOH) och löst COD före behandling.

Resultat

Frystiden upp till 48 h + tinande ökade COD-innehållet i slamvattnet och alltså desintegrationseffekten. Ytterligare frystid gav ringa tillskott. Desintegrationseffekten blev 19 %  efter 48 h + tinande. Koncentrationen av lösta proteiner, lösta kolhydrater och ammonium ökade påtagligt medan partikelhalten (TS) sjönk något.

Efter framgångsrik inokulering tillfördes bränslecellerna slammen. Efter 5 h drift erhölls stabila värden; från 0,66 V för råslammet till försöken till 0,73 V för slammet med frystid 48 h. För det senare blev maximalt avgiven effekt 10,2 W/m³.

Reduktionen av Tot-COD blev 33 % för slammet som frusits i 24 h och ökade till 66 % för slammet som frusits i 48 h.

Slutsatser

Sekvensen frysning/tinande som den genomförts här påverkade klart sönderdelningen av organiska ämnen i slammet vilket kom bränslecellerna tillgodo. Bränslecellernas frammarsch är intressant att följa och goda fullskaleförsök emotses.

Författarna har dock inte förberett uppskalning av frysprocessen till större skala. Då skulle infrysningsförloppet följts via flera dimensioner och infrysningshastigheten beräknats. Den har visat sig viktig för den tinade slamstrukturen.

Källa: Chen, Yuejia; Jiang, Junqiu & Zhao, Qingliang (2014): “Freezing/thawing effect on sewage sludge degradation and electricity generation in microbial fuel cell”. Water Science & Technology, Vol 70/3 pp 444-449

Hela artikeln finns att köpa här.

Författarna: School of Municipal and Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China.

Korrespondens:  qlzhao@hit.edu.cn