Exponering av slam med lågintensivt ultraljud före anaerob rötning visade att en ökad metanproduktionen med 32 % kunde uppnås med en varaktighet av åtminstone 45 timmar vid en effekt av 0,0028 W/ml och exponeringstid av 120 sekunder.
Av: Bengt Andersson
Anaerob rötning av avloppsslam är en attraktiv process för att omvandla det organiska materialet i slammet till energirik biogas och till näringsrik rötrest. Processen begränsas huvudsakligen av en långsam och partiell nedbrytning av slammet med en verkningsgrad mellan 20 och 50 % vid en uppehållstid av mellan 20 och 50 dygn. Begränsningarna kan minskas genom förbehandling av slammet innan rötning antingen genom termiska, kemiska eller mekaniska processer för att uppnå en högre solubilisering av det organiska materialet och därigenom en ökad nedbrytning och gasproduktion.
Förbehandling av slammet med ultraljud (US) är en metodik som rönt stort intresse beroende på hög verkningsgrad, god stabilitet och en miljövänlig process. Tidigare genomförda studier har i huvudsak fokuserat på solubiliseringen men studier har även visat att den metabola aktiviteten i rötningsprocessen kan öka vid korta perioder av US-behandling. Syftet med refererad studie var att undersöka påverkan av US för att förbättra rötningsprocessen genom stimulans av den biologiska aktiviteten.
Genomförande
Försöken utfördes genom bestämning av bästa US intensitet (W/ml) och exponeringstid (sek) baserat på mängd och hastighet av metanbildningen, genom bestämning av närvaron av cellysis baserad på ammonium- och kaliumkoncentrationen i mediet vid olika förhållanden samt genom bestämning av varaktigheten för biostimulering av biomassan.
Ympen togs från rötkamrarna vid ett reningsverk i Singapore och substratet utgjordes av stärkelse i förhållandet 1:1. En utrustning för ultraljud i laboratorieskala användes vid försöken och olika mängder ymp behandlades för att erhålla önskad US-intensitet. Fem olika intensiteter studerades (mellan 0,0007 och 0,0035 W/ml) vid 30 sekunders uppehållstid och olika uppehållstid utvärderades (8 steg mellan 15 och 300 sekunder) vid en intensitet av 0,0028 W/ml.
Biometanpotentialen (BMP) bestämdes i en anpassad utrustning vid 37 oC, där ett blanktest utgjordes av enbart ymp, ett kontrolltest av obehandlat slam och substrat och ett försökstest med behandlad ymp och substrat. Metanproduktionen från blanktestet subtraherades från produktionen vid övriga försök. Produktionen bestämdes till volym och koncentration och solubiliseringsgraden karakteriserades genom ökningen av löst COD, NH4+-N och K+.
Resultat
Bestämning av den största procentuella ökningen av metanproduktionen visade att vid en intensitet av 0,0028 W/ml uppnåddes en ökning upp till 60 % momentant jämfört med kontrollen. Gasproduktionen under fem dygn var 20 % större än för kontrollen. Stimulansen av behandlingen varade i 28 timmar och under denna tid var den specifika produktionen av metan 50 % högre än för kontrollen. Stabil kavitation erhölls vid intensiteter lägre än 0,1 W/ml. Vid högre intensiteter erhölls en omedelbar kavitation då cellerna och cellstrukturen kunde förstöras med en minskad biologisk aktivitet. En intensitet av 0,0028 W/ml betraktades som den bästa för vidare försök.
Genom exponeringen av ultraljud frigjordes EPS (extracellulära polymera substanser) vid sönderslagningen av flockarna med en svag ökning av halten löst COD. Bestämningen av intensitetens effekt på cellysis vid en exponeringstid av 30 sekunder visade inga tecken på ökning av halterna av ammonium eller kalium och endast en svag ökning av löst COD observerades vid en högre intensitet än 0,0021 W/ml.
Försök med olika exponeringstid vid bästa intensitet 0,0028 W/ml undersöktes i ett intervall mellan 15 och 300 sekunder och förbättringen av metanproduktionen varade upp till 73 timmar vid en exponering under 30 sekunder. Den största ökningen av metanproduktionen uppgick till 61 % jämfört med kontrollen vid en exponeringstid av 120 sekunder och den sammanlagda ökningen av metanproduktionen under 3,5 dagar uppgick till 32 % jämfört med kontrollen. Effekten varade i 45 timmar med en ökning av den specifik metanproduktionen med 42 %.
Bestämning av effekten av exponeringstiden på cellysis visade att ingen ökning av ammonium eller kaliumhalterna observerades för tider upp till 120 sekunder. Med längre exponeringstider ökade ammoniumhalten med mellan 2 och 5 % och kaliumhalten med mellan 16 och 38 % samtidigt som halten löst COD ökade med mellan 12 och 15 %. Den längre exponeringstiden resulterade i en nedbrytning av cellväggarna med en minskad metanproduktion. Försöken visade att med en längre exponering än 120 sekunder minskade ökningen av metanproduktionen i förhållande till resultatet vid 120 sekunder med upp till omkring 40 %. Således konstaterades att en exponeringstid av 120 sekunder gav bäst resultat på den anaeroba aktiviteten.
Slutsatser
Försök med exponering av slam med lågintensivt ultraljud före rötning visade att
metoden kan ses som en lovande lösning för en ökad processeffektiviteten i form av en högre metanproduktion med minimal energiförbrukning jämfört med en kontrollreaktor
bästa behandlingsförhållanden var en intensitet av 0,0028 W/ml vid 120 sekunders exponering
effekten varade åtminstone 45 timmar efter exponeringen
inga tecken på cellysis påvisades vid de bästa försöksförhållandena.
Källa: V.K. Tyagi, A.L.S. Tien, B. Ahmed, A. Gautam. Bio-stimulation of anaerobic digestion by low intensity ultrasonication. Water Science & Technology 2019, 80.4, pp 659 – 664.
