Anaerob behandling av industriavlopp - VA-teknik på LTH

Transcription

Anaerob behandling av industriavlopp - VA-teknik på LTH
Utvärdering av potential för anaerob
behandling av industriellt avloppsvatten
vid ambient temperatur
Sofie Andreasson & Nelly Dahl
Vattenförsörjnings- och Avloppsteknik
Institutionen för kemiteknik, LTH
Examensarbete 2014
Utvärdering av potential för anaerob
behandling av industriellt avloppsvatten
vid ambient temperatur
av
Sofie Andreasson & Nelly Dahl
Master Thesis number: 2014-5
Vattenförsörjnings- och avloppsteknik
Institutionen för Kemiteknik
Lunds universitet
Juni 2014
Handledare: Doktorand Hamse Kjerstadius & Professor Jes la Cour Jansen
Examinator: Forskarassistent Åsa Davidsson
Bild på framsida: Uppstart av BMP-fösök, avluftning med kvävgas. Lund. Foto taget av Sofie Andreasson
Postadress
P.O. Box 124
SE-221 00 Lund, Sweden
Webadress
www.vateknik.lth.se
Besöksadress
Getingevägen 60
Telefon
+46 46-222 82 85
+46 46-222 00 00
Fax
+46 46-222 45 26
Förord
Detta examensarbete har genomförts vid Vattenförsörjnings- och avloppsteknik (VA-teknik)
vid institutionen för Kemiteknik på Lunds Tekniska Högskola (LTH) i samarbete med
Skånemejerier och The Absolut Company. Examensarbetet är det sista steget i utbildningen
till Civilingenjör i Bioteknik. Arbetet har involverat ett flertal personer som vi nu skulle vilja
tacka.
Först och främst vill vi tacka Hamse Kjerstadius för alla tips, råd och för all den kunskap du
har delat med dig av under arbetets gång. Tack för att du alltid har ställt upp. Oavsett vad du
själv har haft att göra har du alltid tagit dig tid att lyssna på oss och hjälpa oss med ett stort
engagemang från början till slut. Utan din entusiasm och energi hade arbetet med
examensarbetet inte varit hälften så roligt. Vi skulle också vilja tacka Jes la Cour Jansen för
värdefull hjälp vid sammanställning och strukturering av examensarbetet.
Vi vill tacka Marcus Hansson och The Absolut Company för att vi fick göra detta
examensarbete i samarbete med er. Tack för ett mycket trevligt mottagande, en spännande
rundvisning och ett gott samarbete. Vi vill även tacka Fredrik Javenskjöld och Skånemejerier
för samarbetet under exjobbets gång och för att vi har fått all den hjälp och den information vi
behövde. Vi vill även rikta ett tack till Ylva Eriksson på Sjölunda reningsverk och Magnus
Persson på Carlsbergs reningsverk för att vi fick komma och hämta ymp och för trevliga
rundvandringar.
Dessutom vill vi tacka Gertrud Persson för alla trevliga samtal, all hjälp med det laborativa
arbetet och för att du har ställt upp och hjälpt oss med allt från osammarbetsvilliga maskiner
till tips och råd under labbandet.
Sist men inte minst vill vi tacka våra vänner Anna Saarvanto, Boris Trivic och Maja Ekblad i
exjobbsrummet för alla spännande diskussioner och skratt. Även tack till alla andra på
institutionen för trevliga samtal och stunder under vårterminen!
Sofie Andreasson & Nelly Dahl
Lund, Juni 2014
I
II
Sammanfattning
Sveriges avloppsreningsverk började under 1960-talet producera biogas. Ett decennium
senare ledde oljekriserna till att inställningen till biogas ändrades från en restprodukt från
avloppsreningsverken till att bli en möjlig lösning på oljeberoendet och miljöproblemen. Idag
har Sverige kommit långt när det gäller biogas med ett stort antal anläggningar i hela landet.
Biogas är slutprodukten av rötning, anaerob biologisk nedbrytning, av organiskt material. Den
producerade biogasen består till största del av metan och koldioxid och är en förnyelsebar
energikälla som kan användas till elektricitet, värme och bränsle.
Syftet med denna studie var att undersöka huruvida rötning av industriellt avloppsvatten från
livsmedelsindustrin, Skånemejerier och The Absolut Company, vid ambient temperatur (20
°C ) skulle vara ett alternativ för företagen för potentiell energiåtervinning.
Traditionellt sätt drivs en rötningsprocess vid temperaturer runt 35 °C (mesofilt) eller 55 °C
(termofilt) men om stora flöden avloppsvatten med låg temperatur och låg koncentration av
organiskt material ska rötas vid dessa temperaturer skulle det krävas en mycket stor mängd
energi för att värma upp vattnet. Om rötningen däremot kan drivas vid en ambient temperatur
kan processen i teorin bli mycket mer lönsam då företagen inte behöver värma upp
avloppsvattnet och erhåller energi genom biogasproduktionen.
För att kunna röta vid ambient temperatur krävs att ympen (mikroorganismerna) är väl
acklimatiserad till den valda temperaturen för att inte metanproduktionshastigheten ska bli för
låg. På grund av detta undersöktes i denna studie tre olika ymper:
- En ymp från en mesofil anaerob rötningsprocess (Sjölunda reningsverk) som drivs vid
35 °C.
- En ymp från en mesofil anaerob rötningsprocess (Sjölunda reningsverk) som drivs vid
35 °C och anpassades till en ambient temperatur på 20 °C.
- En ymp med granuler från en anläggning som drivs vid 25-27 °C (Carlsbergs
biogasanläggning).
Sammansättningen av substratet är viktig för att uppfylla mikroorganismernas näringskrav
samt för att generera en biogas med hög metanhalt. För att uppnå syftet genomfördes därför
satsvisa utrötningsförsök på avloppsvattnet, samt på referenssubstrat för kolhydrater, protein
och fett, där metanpotentialen bestämdes. Dessutom genomfördes en karakterisering av
avloppsvattnet för att bestämma andelen kolhydrater, protein och fett. För de satsvisa
försöken utvärderades hastigheten för biogasproduktion för att granska skillnaderna mellan
olika driftstemperaturer, ymper och substrat. De två olika avloppsvattnen utvärderades även
med hjälp av företagens egna data för att se eventuella variationer hos avloppsvattnet över
året.
Utifrån resultaten erhållna i denna studie drogs slutsatsen att det skulle vara möjligt att driva
en biogasprocess med avloppsvatten från Skånemejerier och The Absolut Company som
substrat även om vissa parametrar bör undersökas vidare. Det visade sig även genom
lönsamhetsberäkningar att energiåtervinning är möjlig ifall rötningen sker vid 20 °C istället
III
för 37 °C. En anpassning av den mesofila ympen till 20 °C visade sig inte vara nödvändig.
Ymperna som användes var olika framgångsrika på att röta olika typer av substrat.
Hydrolyskonstanterna gav varierande resultat de gav en indikation på hur snabbt
nedbrytningen av det organiska materialet skedde. Däremot var de inte den bästa metoden för
att avgöra huruvida ett substrat eller en ymp var lämplig att använda för biogasproduktion.
Detta då den inte tog hänsyn till mängden producerad biogas.
IV
Summary
In the 1960s wastewater treatment plants in Sweden started producing biogas. One decade
later, the oil crisis led to a change in attitude towards biogas. From having been viewed as
mainly a byproduct, biogas started to be seen as a possible solution to the oil dependency and
the environmental issues, and today Sweden has come a long way in the area. Biogas is the
final product of anaerobic digestion of organic materials and it contains primarily methane
and carbon dioxide. Biogas is a renewable source of energy that can be used for production of
electricity, heat and fuel.
The purpose of this thesis was to investigate whether anaerobic digestion of industrial
wastewater from the food industry, Skånemejerier and The Absolut Company, at ambient
temperature (20 °C) could be a viable option for the companies with regard to energy
recovery.
Traditionally, anaerobic digestion is operated at temperatures around 35 °C (mesophilic area)
or 55 °C (thermophilic area). If large volumes of industrial wastewater with low
concentrations of organic material were to be digested at these temperatures very large
amounts of energy would be required to heat the water. On the other hand, if the digester
could be operated at ambient temperature, the process could, in theory, be much more
profitable since no heating of the water is necessary and energy is obtained through biogas
production.
In order to get a successful digestion process with a high rate of methane production the
inoculum needs to be well acclimated to the chosen temperature. Therefore three different
inoculum were investigated in this study:
- One inoculum from a mesophilic anaerobic digestion process which is operated at
35 °C.
- One inoculum from a mesophilic anaerobic digestion process which is operated at
35 °C and adapted to an ambient temperature of 20 °C.
- One inoculum with granules from a facility that normally operates at 25-27 °C.
Furthermore the composition of the substrate is important in order to meet the nutrient
requirement of the microorganisms and to get a biogas with high methane concentration. To
fulfill the purpose, Bio Methane Potential (BMP)-tests were performed for the wastewater as
well as for reference substrates of protein, carbohydrate and lipids. Also a characterization
was performed on the wastewater in order to determine the fractions of protein, carbohydrate
and lipid. The BMP-tests were evaluated with regard to the rate of biogas production to
examine the differences between different operating temperatures, inoculum and substrates.
The two wastewaters were also evaluated using data obtained from the companies in order to
see how several important parameters varied over the year.
From the results obtained during this work, the conclusion that it would be possible to operate
a biogas process with wastewater from Skånemejerier or The Absolut Company as substrate
was drawn although some parameters should be examined further. Energy calculations
V
showed that energy recovery could be possible if the digestion process is operated at 20 °C
rather than 37 °C. The adaption of the mesophilic inoculum showed not to be necessary.
Furthermore, the different inoculums were successful in digesting different types of
substrates. The results of the hydrolysis constant gave varying results. It gave an indication of
how fast the substrate was degraded, but it was not the best method for determining whether a
substrate/inoculum were suitable for biogas production since it did not take the amount of
produced biogas into account.
VI
Innehållsförteckning
1
Bakgrund ................................................................................................................................. 1
2
Syfte ......................................................................................................................................... 3
3
4
5
2.1
Genomförande .................................................................................................................. 3
2.2
Avgränsning ..................................................................................................................... 3
Biogasproduktion .................................................................................................................... 5
3.1
De olika stegen i rötningsprocessen ............................................................................... 5
3.2
Substrat till biogasproduktion ....................................................................................... 10
3.3
Faktorer som påverkar rötningen .................................................................................. 13
3.4
Toxiska/inhiberande ämnen .......................................................................................... 16
3.5
Störningar i processen ................................................................................................... 17
3.6
Satsvisa utrötningsförsök .............................................................................................. 17
3.7
Hastighet för biogasprocessen - hydrolyskonstanten .................................................. 18
Metodbeskrivningar .............................................................................................................. 23
4.1
Skånemejeriers och The Absolut Companys avloppsvatten ....................................... 23
4.2
Karaktärisering av industriavloppsvatten ..................................................................... 25
4.3
Analys av TS och VS..................................................................................................... 29
4.4
Beräkning av teoretisk biogasproduktion ..................................................................... 30
4.5
Försöksuppställning för de satsvisa utrötningsförsöken.............................................. 31
4.6
Bestämning av hydrolyskonstanten .............................................................................. 35
4.7
Lönsamhetsberäkningsekvationer ................................................................................. 36
Resultat och diskussion ........................................................................................................ 39
5.1 Resultatet av dataanalysen av Skånemejeriers och The Absolut Companys
avloppsvatten ............................................................................................................................. 39
5.2
Resultat av karaktäriseringen av industriavloppsvatten .............................................. 48
5.3
COD/Sulfat-ratio ............................................................................................................ 53
5.4
Resultat från de satsvisa utrötnings försöken ............................................................... 53
5.5
Resultat för hydrolyskonstanten ................................................................................... 62
5.6 Lönsamhetsberäkningar angående etablering av rötningsprocesser vid Skånemejerier
och The Absolut Company ....................................................................................................... 67
6
Slutsatser ............................................................................................................................... 73
7
Rekommendationer till företagen ........................................................................................ 75
7.1
Rekommendation till Skånemejerier ............................................................................ 75
7.2
Rekommendation till The Absolut Company .............................................................. 76
VII
8
Framtida studier .................................................................................................................... 79
9
Referenser.............................................................................................................................. 81
VIII
1 Bakgrund
Sveriges avloppsreningsverk började under 1960-talet producera biogas. Ett decennium
senare ledde oljekriserna till att inställningen till biogas ändrades och blev mer positiv. Från
att ha setts endast som en restprodukt för att reducera slamvolymerna på
avloppsreningsverken blev biogasen nu en möjlig lösning på oljeberoendet och
miljöproblemen vilket ledde till att mer pengar satsades på forskning och utveckling. Idag har
Sverige kommit långt när det gäller biogas, år 2012 producerades biogas på 242 anläggningar
till ett energivärde på runt 1,6 TWh (Biogasportalen, 2011). Biogas är slutprodukten av
rötning, anaerob biologisk nedbrytning, av organiskt material. Den producerade biogasen
består till största del av metan och koldioxid och är en förnyelsebar energikälla som kan
användas till att producera elektricitet, värme och bränsle. Att biogas är en förnybar
energikälla gör att koldioxiden som bildas när biogas förbränns inte bidrar till
växthuseffekten. Rötningsprocessen utnyttjas ofta vid vattenrening då de närvarande
mikroorganismerna bryter ned de stora organiska molekylerna som återfinns i avloppsslam
exempelvis kolhydrater, protein och fett till biogas genom flera steg.
För att reglera utsläppnivåer av ämnen i avloppsvatten har Naturvårdsverket fått i uppdrag av
regeringen att ta fram ett svenskt utsläppsregister grundat på Århuskonventionen
(Naturvårdsverket, 2009). Värdena avser bland annat vilka koncentrationer av biokemisk
syreförbrukning, BOD (Biochemical Oxygen Demand) och kemisk syreförbrukning, COD
(Chemical Oxygen Demand), som är tillåtna att släppa ut i miljön. Både BOD- och CODhalten kan ge ett mått på vattnets kvalitet och dess renhet eftersom höga koncentrationer kan
leda till syrebrist i våra sjöar och hav (Naturvårdsverket, 2010).
Denna studie kommer fokusera på möjligheten att röta industriellt avloppsvatten från
livsmedelsindustrin till biogas. Traditionellt drivs en rötningsprocess vid temperaturer runt 35
°C (mesofilt) eller 55 °C (termofilt) men denna studie kommer undersöka rötning vid en
ambient temperatur (omgivande temperatur) som antas vara 20 °C. Biogasprocessen är en
komplicerad process där flera olika grupper av mikroorganismer behöver trivas för att erhålla
en hög biogasproduktion med så högt metaninnehåll som möjligt (Jarvis & Schnürer, 2009).
Det krävs att ympen (mikroorganismerna) är väl acklimatiserad till den valda temperaturen
för att inte metanproduktionshastigheten ska bli för låg. Sammansättningen av substratet är
viktig för att uppfylla mikroorganismernas näringskrav samt för att generera en biogas med
hög metanhalt (Carlsson & Schnürer, 2011). För en väl fungerande biogasprocess med så hög
metanproduktion som möjligt krävs alltså att mikroorganismernas näringskrav och miljökrav
är uppfyllda.
Tidigare har det inte varit ekonomiskt hållbart att röta avloppsvattnet eftersom den höga
rötningstemperaturen medför att vattnet först måste värmas vilket är energikrävande. Då
tunna avloppsvatten inte producerar tillräckligt med gas för att täcka uppvärmningen
resulterar detta i en icke lönsam process. Ny forskning och nya tekniska framsteg som till
exempel membranbioreaktorn öppnar nu möjligheter för att producera biogas vid en lägre
temperatur. Rötning vid ambient temperatur väcker dock problem, exempelvis genom att
1
aktiviteten hos enzymerna som är aktiva under första steget i rötningsprocessen (hydrolysen)
minskar med minskad temperatur (Donoso-Bravo et al., 2009). När lågtemperaturrötning
utreds är därav hydrolyshastigheten en viktig parameter att undersöka för att få en indikation
på hur snabbt substratet kan brytas ner.
På grund av de strikta föreskrifter som finns på utsläppnivåer skulle det kunna gynna företag
från livsmedelsindustrin att minska de höga halterna av organiskt material i avloppsvattnet
genom avloppsvattenrening med biogasproduktion. Om rötningen dessutom kan drivas vid en
ambient temperatur kan processen i teorin bli mycket mer ekonomiskt lönsam då företagen
inte behöver lägga energi på uppvärmning av avloppsvattnet och erhåller energi genom
biogasproduktion.
2
2 Syfte
Syftet med examensarbetet var att utvärdera lämpligheten för biogasproduktion av industriellt
avloppsvatten med avseende på potentiell energiåtervinning genom rötning vid ambient
temperatur.
- För att utvärdera lämpligheten för biogasproduktion utfördes satsvisa utrötningsförsök
med syftet att avgöra potentialen hos olika ymper och substrat.
- Hydrolyskonstanten beräknades för att utvärdera hastigheten för biogasproduktionen.
Förutom att utvärdera hastigheten var syftet även att ge en bedömning huruvida
hydrolyskonstanten är en bra parameter för att bedöma lämplighet för
biogasproduktion hos ymper och substrat.
- Två karaktäriseringsmetoder utvärderades för att avgöra om det finns indikationer på
att någon av metoderna var mer tillförlitlig. I fall antydningar av detta slag finns,
syftar examensarbetet till att ge en rekommendation på att den
karaktäriseringsmetoden används i framtida försök.
Examensarbetet syftar till att i slutändan ge en rekommendation till de medverkande företagen
från livsmedelsbranschen huruvida en fortsatt utredning av en potentiell biogasanläggning är
aktuellt.
2.1 Genomförande
Två olika avloppsvatten från industrier inom livsmedelsbranschen; Skånemejerier och The
Absolut Company karaktäriserades med avseende på andel fett, proteiner och kolhydrater för
att undersöka substratets biogasutbyte samt utvärderades med hjälp av företagens egna data
för att se eventuella variationer hos avloppsvattnet över året. Avloppsvattnens lämplighet för
biogasproduktion analyserades både teoretiskt och genom att det genomfördes laborativa
satsvisa biogas-försök. Till de laborativa försöken anpassades en ymp från en mesofil anaerob
rötningsprocess som drivs vid 35 °C till en ambient temperatur på 20 °C. Den anpassade
ympen jämfördes dels med icke anpassad ymp och dels med en ymp från en anläggning som
drivs vid 25-27 °C för att se hur bra anpassningen lyckades. För de satsvisa försöken
utvärderades hastigheten för biogasproduktionen för att granska skillnaderna mellan olika
driftstemperaturer, ymper och substrat.
2.2 Avgränsning
Examensarbetet avgränsas i den mån att det inte kommer att kunna ge statistiskt säkerställda
värden för de satsvisa försöken eller för karaktäriseringen av andelar kolhydrater, fett och
protein i det industriella avloppsvattnet. Det går inte att få fram statistiskt säkerställda värden
på grund av att antalet försök som genomförs är begränsande.
3
4
3 Biogasproduktion
Biogas är den produkt som bildas då organiskt material bryts ned av mikroorganismer under
anaeroba förhållanden. Biogas består framförallt av metan (CH4) och koldioxid (CO2 ) samt en
mindre mängd ammoniakgas, kvävgas, vätesulfidgas och vattenånga. Metan utgör mellan 4070 % av gasen beroende på vilket substrat som används (Abbasi et al., 2012). Rötningen sker
av flera olika grupper av mikroorganismer där samspelet mellan grupperna är oerhört viktigt.
Dessa mikroorganismer kan använda en mängd olika substrat till att producera biogas där
slam från kommunala avloppsreningsverk är det vanligaste substratet i Sverige i dag. Exempel
på andra substrat är; slakteriavfall, avfall från livs- och fodermedelsindustri, matavfall, gödsel,
industriavfall och industriavloppsvatten (Jarvis & Schnürer, 2009; Abbasi et al., 2012).
Den producerade biogasen är en förnyelsebar energikälla som kan användas till att producera
elektricitet, värme, bränsle och som ett alternativ till naturgas. Då den används som bränsle
krävs det dock att gasen uppgraderas, vilket innebär att koldioxid och övriga förorenande
gaser avskiljs för att uppnå en metankoncentration på 95-99 % (Lantz, 2013).
I detta kapitel kommer faktorer som påverkar biogasproduktionen beskrivas mer ingående.
3.1 De olika stegen i rötningsprocessen
Biogas bildas genom rötning då stora organiska molekyler som socker, protein och fett bryts
ner till framförallt koldioxid och metan (van Lier et al., 2008). Rötningen sker av flera olika
grupper av mikroorganismer som använder varandras nedbrytningsprodukter som substrat i
efterföljande steg vilket gör samspellet mellan dem oerhört viktigt. Mikroorganismerna är
från domänerna Bacteria och Archaea och nedbrytningen brukar delas in i fyra steg; hydrolys,
acidogenes, acetogenes och metanogenes. En sammanfattning av de fyra stegen visas i figur
3.1 (Jonstrup et al., 2011; Jarvis & Schnürer, 2009).
5
Komplext organiskt material
Hydrolys
Acidogenes
Acetogenes
Metanogenes
Figur 3.1 De olika stegen i rötningsprocessen. Hydrolysen, acidogenesen, acetogenesen,
metanogenesen samt en alternativ metanbildningsväg (mellan Acetat och Vätgas,Koldioxid).
Bilden är återskapad från Gujer, W. & Zehnder, A. J. B., (1983). ‘Conversion processes in
anaerobic digestion’, med tillstånd från upphovsrättinnehavarna, IWA Publishing.
3.1.1 Steg 1. Hydrolys
I det första steget bryts kolhydrater, protein och fett i det organiska materialet ned till mindre
organiska ämnen som till exempel enkla sockerarter, aminosyror, fettsyror och en del
alkoholer. Eftersom kolhydrater-, protein- och fettmolekyler är för stora för
mikroorganismerna att ta upp direkt genom cellmembranet via endocytos, aktiv transport eller
diffusion sker spjälkning med hjälp av extracellulära enzymer som utsöndras av
mikroorganismerna (Jarvis & Schnürer, 2009; Jonstrup et al., 2011). En sammanfattning av
enzymerna, deras substrat och nedbrytningsprodukter kan ses i tabell 3.1.
6
Tabell 3.1 Enzymer i hydrolyssteget, deras substrat och nedbrytningsprodukter. Tabellen är
återskapad från Jarvis och Schnürer (2009). ‘Mikrobiologisk handbok för
biogasanläggningar’, Rapport SGC 207, med tillstånd från upphovsrättinnehavarna.
Enzymer
Proteas
Cellulas
Hemicellulas
Substrat
Proteiner
Cellulosa
Hemicellulosa
Amylas
Lipas
Pektinas
Stärkelse
Fetter
Pektin
Nedbrytningsprodukter
Aminosyror
Cellobios och glukos
Socker, till exempel glukos, xylos, mannos och
arabinos
Glukos
Fettsyror och glycerol
Socker, till exempel galaktos och arabinos,
samt polygalakturonsyra
En del mikroorganismer har förmågan att utsöndra flera olika typer av enzymer som kan bryta
ner diverse organiska material, medan andra mikroorganismer är mer specialiserade och
endast utsöndrar enzymer som bryter ner exempelvis socker eller proteiner (Jarvis &
Schnürer, 2009). De mikroorganismer som utsöndrar enzymer för hydrolys är till största del
obligata eller fakultativa anaerober (Jonstrup et al., 2011).
Hastigheten hos hydrolyssteget beror på sammansättningen hos substratet men hydrolyssteget
anses ofta vara det hastighetsbestämmande steget under rötningsprocessen vid låga
temperaturer. För processer vid låga temperaturer är det därför extra viktigt att undersöka
hydrolyshastigheten (van Lier et al., 2008). Att hydrolyshastigheten påverkas av temperaturen
beror på att hydrolyssteget består av enzymkatalyserade reaktioner och att enzymernas
aktivitet är starkt temperaturberoende (Donoso-Bravo et al., 2009).
Hydrolys av kolhydrater
Kolhydrater är ett samlingsnamn för monosackarider och polysackarider. Under
rötningsprocessen är det polysackariderna som hydrolyseras. Jarvis och Schnürer (2009) tar
upp några vanliga polysackarider i biogassammanhang, vilka är stärkelse, cellulosa,
hemicellulosa, pektin och glykogen. Av dessa konstaterar de att cellulosa är den allra
vanligaste i substrat för biogas vilket är bra då cellulosa är lätt att bryta ner jämfört med de
andra. De mikroorganismer som utsöndrar enzymer som bryter ned polysackariderna kallas
för sackarolytiska och de kan vara från olika grupper som till exempel släktena Bacteriodes,
Clostridium och Acetivibrio (Jarvis & Schnürer, 2009).
Hydrolys av proteiner och peptider
Proteiner och peptider består av långa kedjor av aminosyror och finns till stor del i
animalieprodukter. Proteiner kan även innehålla andra grupper vilket till exempel
glykoproteiner och lipoproteiner gör. Hydrolys av glykoproteiner resulterar, utöver
aminosyror, också i olika kolhydrater. De mikroorganismer som bryter ned proteiner till
aminosyror kallas för proteolytiska och tillhör bland annat släktena Clostridium,
Peptostreptococcus och Bifidbacterium (Jarvis & Schnürer, 2009).
7
Hydrolys av fett
Fetter är uppbyggda av framförallt av triglycerider som bryts ner till glycerol, korta fettsyror
och långa fettsyror (long chain fatty acids, LCFA, fler än 18 kolatomer). De mikroorganismer
som producerar enzymer för att hydrolysera fett är oftast aeroba eller fakultativt aeroba, de
strikt anaeroba är mer sällsynta men släktet Clostridium är ett exempel (Jarvis & Schnürer,
2009). Vid hydrolys av fett bildas långkedjade fettsyror (LCFA) (van Lier et al., 2008) och
glycerol. Glycerol omvandlas snabbt till biogas medan den fortsatta nedbrytningen av LCFA
är något mer komplicerad (Jarvis & Schnürer, 2009).
3.1.2 Steg 2. Acidogenes
I det andra steget används nedbrytningsprodukterna från det tidigare steget, hydrolysen, till
exempel enkla sockerarter, aminosyror och alkoholer, som substrat till de fermenterande eller
anaerobt oxiderande mikroorganismerna, så kallade acidogener. Detta är enligt Jarvis &
Schnürer (2009) oftast det snabbaste av de fyra stegen. Jarvis & Schnürer (2009) menar att
fettsyror och aromatiska strukturer från steg ett inte kan användas av de fermenterande
mikroorganismerna utan används istället först i acetogenesen. Acidogenerna omvandlar
nedbrytningsprodukterna från hydrolysen, genom olika fermentationsreaktioner, till olika
organiska syror som till exempel ättiksyra, propionsyra, smörsyra, succinsyra, mjölksyra med
flera. De bildade organiska syrorna är svaga syror vilket innebär att de står i jämvikt mellan
sin laddade form och sin oladdade form. I en biogasprocess är pH-värdet vanligtvis runt sju
och då finns syrorna framför allt i sin laddade form (anjon). Ekvation 1 visar hur ättiksyra står
i jämnvikt med sin anjon, acetat (Jarvis & Schnürer, 2009).
(1)
Även alkoholer och ammoniak bildas under acidogenesen men de huvudsakliga produkterna
är acetat, koldioxid och vätgas (Jonstrup et al., 2011). Jarvis & Schnürer (2009) menar att
vilka fermentationsprodukter som bildas beror till stor del på vilken typ av substrat som
används, omgivningsförhållanden, samt vilka mikroorganismer som är aktiva. Dessutom kan
närvaro av andra mikroorganismer och ändrade omgivningsfaktorer få en mikroorganism att
ändra sitt fermentationsmönster (Jarvis & Schnürer, 2009). Exempelvis beror nedbrytningen
av sukros på vätgaskoncentrationen i reaktorn. Vid en låg vätgaskoncentration bildas
framförallt acetat, men om vätgasen ej förbrukas kontinuerligt utan istället ackumuleras bildas
produkter som till exempel smörsyra och propionsyra (van Lier et al., 2008). Under
acidogenesen är många olika mikroorganismer aktiva, fler än i de andra stegen och många är
även samma som de som var aktiva under hydrolyssteget. Några släkten som tillkommer
under fermentationssteget är till exempel Enterobacterium, Acetobacterium och Eubacterium
(Jarvis & Schnürer, 2009).
3.1.3 Steg 3. Acetogenes
I steg tre bryts de bildade fermentationsprodukterna samt fettsyrorna ner till vätgas, acetat och
koldioxid genom anaeroba oxidationer. För att de anaeroba oxidationerna, acetogenesen, i
steg tre ska kunna ske krävs ett tätt samarbete mellan de organismer som utför oxidationerna,
så kallade acetogener, och de metanbildande organismer som är aktiva under nästkommande
steg, steg fyra (Jarvis & Schnürer, 2009; Jonstrup et al., 2011).
8
Acetogena bakterier är obligat H2 -producerande (van Lier et al., 2008). Under acetogenesen
används protoner som elektronacceptor. I och med detta produceras hela tiden vätgas men på
grund av termodynamiska begränsningar inhiberas de anaeroba oxidationerna av ökande
partialtryck av vätgas (Gujer & Zehnder, 1983). Om den bildade vätgasen inte kontinuerligt
plockas bort av metanogenerna som använder vätgasen för metanproduktionen kommer
acetogenesen att avstanna. Detta är anledningen till att det komplexa samarbetet mellan
acetogener och metanogener är så viktigt. Samarbetet mellan organismerna kallas för syntrofi
som betyder ”äta tillsammans” vilket väl beskriver beroendeförhållandet mellan de
vätgasproducerande acetogenerna och de vätgaskonsumerande metanogenerna (Jarvis &
Schnürer, 2009; Jonstrup et al., 2011).
Många av de syntrofa vätgasbildarna, dock inte alla, har förmågan att byta till alternativa
nedbrytningsvägar i frånvaro av en vätgaskonsumerande organism. De alternativa
nedbrytningsvägarna leder inte till vätgasproduktion utan istället produceras ofta alkoholer
och olika fettsyror varav de senare kan ställa till med problem för biogasprocessen (Jarvis &
Schnürer, 2009).
Acetogener tillväxer oftast långsamt och bildar utöver vätgas och koldioxid också acetat som
huvudsaklig nedbrytningsprodukt (Jonstrup et al., 2011). Syntrophomonas, Syntrophus,
Clostridium och Syntrobacter är exempel på släkten där det finns många organismer som kan
utföra olika anaeroba oxidationer i syntrofi med en vätgasutnyttjande organism (Jarvis &
Schnürer, 2009).
3.1.4 Steg 4. Metanogenes
I sista steget bildas biogas det vill säga metan och koldioxid. Metanbildningen sker av olika
metanbildande mikroorganismer, metanogener. Deras huvudsakliga substrat är den vätgas,
koldioxid och acetat som erhålls i steg två och tre, men även andra substrat exempelvis
metylaminer, vissa alkoholer och format kan utnyttjas av metanogenerna (Jarvis & Schnürer,
2009; Jonstrup et al., 2011).
Mikroorganismer som är aktiva i metanbildningen kommer precis som i övriga steg i
biogasprocessen från flera olika grupper av mikroorganismer. Det som är mest utmärkande
för metanogenerna är att de tillhör en annan grupp av prokaryota mikroorganismer nämligen
arkaea, till skillnad från biogasprocessens övriga organismer som är bakterier (Jarvis &
Schnürer, 2009; Jonstrup et al., 2011).
En stor grupp av metanbildare är de acetotrofa metanogenerna. De använder acetat som
substrat och är oftast de mest dominerande bland metanbildarna då acetat är källan till cirka
70 % av den biogas som bildas i en rötkammare (Jarvis & Schnürer, 2009; Jonstrup et al.,
2011). De acetotrofa metanogenerna, eller acetatklyvande metanogener som de också kallas,
klyver substratet acetat (två kolatomer) i två delar. Det ena kolet används sedan för att bilda
metan medan det andra kolet används till koldioxid. De två mest förekommande acetotrofa
metanogenerna är Methanosaeta och Methanosarcina (Jarvis & Schnürer, 2009).
En annan grupp av metanogener är hydrogenotroferna som använder vätgas och koldioxid
som huvudsakligt substrat för metanproduktion. Denna väg är mer enegrikrävande än
9
metanbildningen från acetat (Jonstrup et al., 2011). Det finns ett flertal olika grupper av
hydrogenotrofa metanogener till exempel Methanobacterium, Methanococcus,
Methanogenium och Methanobrevibacter (Jarvis & Schnürer, 2009).
Att metanogenerna är arkéer innebär enligt Jarvis & Schnürer (2009) att de inte är lika robusta
som många av de andra mikroorganismerna i biogasprocessen. Detta i sin tur gör att de
påverkas tidigast av olika störningar som till exempel pH-förändringar eller närvaro av
toxiska ämnen (Jarvis & Schnürer, 2009). De hydrogenotrofa metanogenerna har dock visat
sig klara miljöförändringar bättre än de acetotrofa metanogenerna (Jonstrup et al., 2011).
Eftersom metanogenerna är viktiga även för att acetogenesen ska fungera så kan en hämning
av metanogenerna orsaka svåra konsekvenser för hela biogasprocessen. Att metanogenerna
trivs är oerhört viktigt eftersom de generellt växer mycket långsamt (Jarvis & Schnürer, 2009;
Jonstrup et al., 2011). Generationstiden för metanogenerna ligger mellan 1-12 dagar där
Methanosaeta är de metanogener som växer långsammast (Jarvis & Schnürer, 2009). Det
finns även studier av generationstiden som visar att de hydrogenotroferna metanogenerna kan
som kortast ha en generationstid på 6 timmar medan de acetotrofa metanogenerna har en
generationstid på minimum 2,6 dagar (Hassan & Nelson, 2012; Jonstrup et al., 2011). Andra
generationstider som har föreslagits för metanogener i avloppsvatten är mellan 3 dagar vid 35
°C till 50 dagar vid 10 °C (Bitton, 2011).
3.1.5 En alternativ metanbildningsväg, Syntrof acetatoxidation
Under denna alternativa metanbildningsväg oxideras acetat, av en icke metanbildande
bakterie, till vätgas och koldioxid, istället för att biogasen bildas direkt från acetat av en
acetotrof metanogen. En hydrogenotrof metanbildare kan sedan bilda biogas från vätgasen
och koldioxiden på samma sätt som i steg fyra. Samarbetet mellan de olika
organismgrupperna i den alternativa metanbildningsvägen kallas för syntrof acetatoxidation
(SAO). Att acetaten först måste brytas ner gör att biogasproduktionen går långsammare då
SAO-vägen utnyttjas (Jarvis & Schnürer, 2009).
Det är ännu oklart hur vanligt förekommande och hur viktig den här alternativa
nedbrytningsvägen är. Hittills har den bara påvisats på ett fåtal platser, däribland några danska
anläggningar för biogas och en svensk samrötningsanläggning (Jarvis & Schnürer, 2009).
3.2 Substrat till biogasproduktion
Substratet är mikroorganismernas näringskälla och dess sammansättning är därför viktig för
en väl fungerande biogasprocess (Jarvis & Schnürer, 2009). För att rötningsprocessen ska
fungera bra är det viktigt att mikroorganismerna, förutom organiskt material, även har tillgång
till näringsämnen, framförallt kväve och fosfor men också olika spårämnen (Jonstrup et al.,
2011). Ett sätt att bedöma ett substrats lämplighet är genom COD:N:P förhållandet (chemical
oxygen demand:kväve:fosfor). En tumregel som bör uppfyllas för att uppnå rätt förhållande
mellan dessa ämnen är att COD:N:P förhållandet är 250:5:1 (Jonstrup et al., 2011).
Substratet kan ha en mängd olika källor men gemensamt för alla substrat är att de kan
innehålla kolhydrater, protein och fett i olika förhållanden.
10
Kolhydrater är ett samlingsnamn för monosackarider och polysackarider där polysackarider är
uppbyggda av antingen raka eller grenade kedjor av monosackarider bundna med
glykosidbindningar. Jarvis & Schnürer (2009) beskriver att de kolhydrater som är vanligast i
avloppsvatten är stärkelse, cellulosa, hemicellulosa och pektin. Cellulosa, hemicellulosa och
stärkelse finns i växtmaterial som till exempel frukt, spannmål, grönsaker och rotfrukter.
Glykogen finns i cellerna hos djur där det fungerar som sockerreserv. Pektin finns i frukt, dess
sammansättning är dock komplicerad och skiljer sig mellan olika frukter och varierar med
mognadsgraden. Vid val av substrat är det viktigt att ha i åtanke att mono- och disackarider
snabbt bryts ner vilket kan leda till instabilitetsproblem på grund av ansamling av fettsyror
(Jarvis & Schnürer, 2009). För att få en bra stabilitet i biogasprocessen bör därför substrat
med lättnedbrytbara kolhydrater blandas med ett annat substrat som innehåller mer
svårnedbrytbara kolhydrater (Jarvis & Schnürer, 2009).
Proteiner och peptider består av långa kedjor av aminosyror men kan även ha andra grupper
bundna till sig, vilket till exempel glykoproteiner och lipoproteiner har. Alla aminosyror
innehåller amingrupper (NH 2) och när proteiner bryts ner omvandlas dessa till ammoniak
(NH3) eller ammonium (NH4+). Ammoniak är hämmande och till och med avdödande för
många mikroorganismer (Jarvis & Schnürer, 2009). Sanders (2001) beskriver att proteiner
delas in i två huvudgrupper; globulära- och fiberproteiner. De globulära proteinerna är
sfäriska, kolloida och vattenlösliga, känsliga för förändringar i temperatur och pH och relativt
lätta att hydrolysera. Fiberproteinerna däremot har en långsmal, utsträckt form och är olösliga
i vatten och stabila vid ändrad temperatur och pH (Sanders, 2001).
Fettet består framförallt av triglycerider som bryts ner till glycerol, korta fettsyror och långa
fettsyror (Jarvis & Schnürer, 2009). De vanligaste triglyceriderna i avloppsvatten är myrsyra
(C14:0), palmetinsyra (C16:0), stearinsyra (C18:0), oljesyra (C18:1) och linolsyra (C18:2)
(Sanders, 2001). Eftersom fett inte är vattenlösligt kommer fettmolekylerna (lipiderna) vilja
binda till partiklar i substratet (Sanders, 2001). Ansamling av fettsyror kan leda till problem i
form av minskad alkalinitet och skumning (Jarvis & Schnürer, 2009).
Sammansättningen på substratet kommer att avgöra dess metanpotential. Den teoretiska
metanpotentialen kan bestämmas utifrån substratets andel av de olika beståndsdelarna
kolhydrater, protein och fett (Jarvis & Schnürer, 2009). Utifrån standardsammansättning på
substraten (Angelidaki & Sanders, 2004) kan de teoretiska värdena för metanpotentialen för
kolhydrat, protein och fett beräknas enligt Buswells ekvation som beskrivs närmare i kapitel 4
i avsnitt 4.4.1. De teoretiska metanpotentialerna kan ses i tabell 3.2.
Tabell 3.2 Teoretiskt metanutbyte i enheten Nl CH 4/g VS, där N står för att metanvolymen är
normaliserad till standardtemperatur och tryck för en karaktäristisk sammansättning av
kolhydrat, protein och fett. Metanutbytena är beräknade enligt Buswells Ekvation.
Substrat
Kolhydrat
Protein*
Fett
Sammansättning
(C6H10O5)n
C5H7NO2
C57H104O6
*Kväve omvandlas till NH3 och ej metan.
11
Metanutbyte (Nl CH4/kg VS)
415
496
1014
3.2.1 Avloppsvatten från mejeri
Avloppsvatten från mejeriindustrin innehåller enligt Orhon et al. (1993) mycket organiskt
material med höga BOD- samt COD-halter på cirka 1000 mg/l respektive 1500 mg/l, vilket
gör det till ett lämpligt substrat för biogasproduktion (Orhon et al., 1993).
Mejeriavloppsvattnet är naturligt rikt på till största del kolhydrater men innehåller även
protein och fett från mjölken (Perle et al., 1995). Den största delen av torrsubstansen (TS) i
mejeriavloppsvatten kommer från laktos vilket även ger dess höga COD-halt (Hassan &
Nelson, 2012). Enligt Perle et al. (1995) finns det många studier som visar på att det
framgångsrikt går att röta laktos (Perle et al., 1995). Hassan & Nelson (2012) beskriver att
laktos, precis som alla andra kolhydrater, först måste brytas ner i olika intermediärer innan det
omvandlas till biogas. De vanligaste intermediärerna för laktos är acetat, laktat, etanol samt
format. Av dessa representerar acetat cirka 70 % vilket är en av anledningarna till att laktos är
ett bra substrat för biogasproduktion (Hassan & Nelson, 2012). Eftersom substrat från
mejeriindustrin ofta är rikt på kolhydrater samt att laktos är lättnedbrytbart finns risk för
ansamling av fettsyror och eftersom kolhydratrika material ofta har en dålig buffrande
förmåga kan detta leda till sjunkande pH (Jarvis & Schnürer, 2009). Proteinet i
mejeriprodukter finns i form av kaseinmiceller. Perle et al. (1995) menar att
mikroorganismerna, om de inte är acklimatiserade, kan ha problem med att bryta ner denna
typ av protein vilket resulterar i en ineffektiv biogasprocess. Dessutom kan det finnas en risk
att de långa fettsyrorna från mjölkfettet har en inhiberande effekt på metanogenesen (Perle et
al., 1995). Mjölkfettet representerar vanligen 4-22 % av torrsubstansen i avloppsvatten från
mejeriindustrin och består till 97 % av triglycerider (Hassan & Nelson, 2012). Fettrikt
material ger också problem med ansamling av fettsyror (Jarvis & Schnürer, 2009).
3.2.2 Avloppsvatten från destilleri
Innehållet i destilleriavloppsvattnet varierar dels beroende på vilket råvara som används men
också beroende på hur processen ser ut. Enligt Sigge et al. (2008) finns variationer i
sammansättningen på avloppsvattnet från ett destilleri både sett under dagen och över året
(Sigge et al., 2008). Ett problem med att använda avloppsvatten från spannmålsdestillerier är
att de oftast innehåller höga halter av proteiner, vilket ger problem i form av ökad
ammoniakhalt samt lipider som kan leda till ansamling av fettsyror, vilket kommer beskrivas
närmare i avsnitt 3.5.1 (Jarvis & Schnürer, 2009). Något som talar för rötning av
avloppsvatten från destillerier är att de brukar ha ett COD:N:P förhållande på runt 800:5:1,
vilket innebär en hög andel COD jämfört med kväve och fosfor. Detta gör att
destilleriavloppsvatten lämpar sig mycket bättre för anaerob behandling än för aerob,
eftersom stora mängder kväve och fosfor skulle vara tvunget att tillföras vid aerob behandling
för att tillgodose bakteriernas näringskrav (Moletta, 2005). Dock kan det innebära viss risk för
kvävebrist i systemet då 800:5:1 jämförs med tumregeln på 250:5:1.
En restprodukt vid sprittillverkning är drank vilket kan fungera bra som substrat till
biogasproduktion. Det finns dock en viss risk med att använda drank som substrat då det
vanligtvist är rikt på proteiner vilket kan leda till problem i processen i form av
ammoniakinhibering (Jarvis & Schnürer, 2009). En annan risk är att dranken innehåller
mycket sulfat då i vissa fall förbehandling av vete sker genom kokning med svavelsyra. Ifall
12
denna typ av förbehandling förekommer kan sulfathalten ha en inhiberande effekt på
metanogenerna (Jarvis & Schnürer, 2009).
3.3 Faktorer som påverkar rötningen
Biogasprocessen är en känslig process där driftparametrar och substrat måste optimeras för att
de olika mikroorganismerna ska trivas och ge maximalt metanutbyte.
3.3.1 Temperatur
Temperaturen är enligt Jarvis och Schnürer (2009) en av de viktigaste parametrarna under
rötningsprocessen. Eftersom den största delen av energin som bildas under rötningsprocessen
lagras i metan är det en mycket liten del som avges som värme. Processen kräver på grund av
detta, värmning utifrån för att hållas vid den optimala temperaturen för mikroorganismerna
(Jarvis & Schnürer, 2009). Det är i huvudsak två temperaturintervall som används vid anaerob
rötning, antingen sker rötningen mesofilt vid en temperatur på 25-40 °C med optimala
förhållanden mellan 35-37 °C, eller termofilt mellan 50-60 °C med optimum runt 55 °C
(Jarvis & Schnürer, 2009).
Termofil drift ger möjlighet till högre organisk belastning (Abbasi et al., 2012) eftersom
högre temperatur gör att mikroorganismerna är mer aktiva samt förbättrar masstransport och
därmed ger snabbare nedbrytning av materialet (Jonstrup et al., 2011; Jarvis & Schnürer,
2009). Enligt Khanal (2008) dubblas den biologiska aktiviteten då en ökning med 10 °C sker
(Khanal, 2008). Däremot är den termofila processen ofta mer instabil och känslig mot
störningar och toxiska ämnen (Abbasi et al., 2012). En anledning till detta är att den mesofila
rötningen vanligtvis innehåller en bredare mikroorganisk flora och i och med det kan den
bättre hantera driftstörningar som exempelvis temperaturförändringar (Jarvis & Schnürer,
2009).
Förutom dessa temperaturer är det också möjligt att driva en anaerob rötningsprocess i det
psykrofila området med en temperatur på <20 °C (Jonstrup et al., 2011). Enligt Khanal (2008)
kan rötning ske inom temperaturområdet 10-45 °C utan större förändringar i mikroflora.
Khanal (2008) pekar även på att en effektiv metanproduktion uppnås även vid lägre
temperaturer mellan 10-20 °C i kontinuerliga processer såvida COD-koncentrationen är
mellan 200-600 mg/l. En förutsättning för att detta ska kunna uppnås i en kontinuerlig process
är att mikroorganismerna inte riskerar att spolas ut utan till exempel är immobiliserade
(attached growth system) eller i anaeroba membranbioreaktorer, (Khanal, 2008). Bandara et
al. (2012) visar att även om det går att driva en rötningsprocess vid lägre temperaturer,
resulterar det ofta i låg COD-nedbrytningshastighet samt låg metanproduktionshastighet. De
påpekar även att det är viktigt att ta hänsyn till att mängden löst metan i vätskan ökar vid lägre
temperaturer. Den lösta metanen resulterar i utsläpp av växthusgaser från den anaeroba
behandlingsprocessen samt en förlust av energi, då denna metan vanligtvis inte kan återvinnas
till gasform (Bandara et al., 2012).
På grund av metanbildarnas långsamma tillväxthastighet i relation till exempelvis
acidogenerna är de mycket känsliga för temperaturstörningar. Temperaturen bör därför hållas
13
på ett konstant värde (+/- 0,5°C) för att hålla en god metanproduktion (Jarvis & Schnürer,
2009).
3.3.2 pH och alkalinitet
Rötningsprocessen involverar flera olika grupper av mikroorganismer och dessa har i sin tur
olika värden på optimalt pH för maximal tillväxt. Optimalt pH varierar mellan cirka 6 för
acidogener (Jonstrup et al., 2011) och upp till 7-8.5 för metanogener och acetogener (Jarvis &
Schnürer, 2009). För att båda typerna av mikroorganismerna ska trivas är det optimalt att
driva rötningsprocessen vid neutralt pH, runt 7 (Khanal, 2008).
I samband med nedbrytningen av organiskt material produceras organiska syror av acidogena
bakterier. Buffertkapaciteten i reaktorn är därför en viktig parameter för att undvika sänkning
av pH och därmed inhibering av metanproduktionen (Abbasi et al., 2012). Ett sätt att
bestämma buffertkapaciteten hos en process är genom mätning av alkaliniteten, vilken
representerar den mängd basiska ämnen med förmåga att buffra processen som finns
närvarande. Ett högre värde på alkaliniteten resulterar därmed i ett stabilare pH, i och med
detta tillåts en viss obalans i samspelet mellan mikroorganismerna samt en ökning av fettsyror
utan att biogasprocessen drabbas i betydande utsträckning. Framförallt är det karbonatjoner
som utgör alkaliniteten (Jarvis & Schnürer, 2009) men även vätesulfid, divätefosfat och
ammoniak bidrar (Jonstrup et al., 2011).
Alkaliniteten indelas normalt i total alkalinitet (TA) som beskriver hur mycket basiska joner
det finns totalt och bikarbonatalkalinitet (BA) som endast anger mängden bikarbonatjoner.
BA och TA kan bestämmas genom titrering med syra (Jarvis & Schnürer, 2009).
3.3.3 Organisk belastning
För att rötning ska kunna ske krävs det organiskt material för mikroorganismerna att bryta
ned. Mängden av organiskt material som processen förses med kallas processens organiska
belastning. För att kunna välja en rimlig organisk belastning är det nödvändigt att veta hur
mycket torrsubstans (total solids, TS) och organisk substans (volatile solids, VS) substratet
innehåller, se figur 3.2. Det är det organiska materialet, VS, som mikroorganismerna använder
som substrat till biogas. Hur stor belastningen kan vara beror på mikroorganismernas aktivitet
och bör därför vara låg då en ny process startas upp och sedan ökas stegvis. Även substratets
sammansättning påverkar vilken belastning som kan väljas. Används ett substrat med
lättnedbrytbara ämnen, exempelvis mycket socker, är det möjligt att ha högre belastning
eftersom mikroorganismerna snabbt kan bryta ned dessa ämnen (dock kan detta orsaka andra
problem i processen vilket kommer tas upp senare i 3.5.1) (Jarvis & Schnürer, 2009).
14
Figur 3.2 En schematisk bild av hur TS och VS beror på varandra. Figuren är kopierad från
Vahlberg et al. (2013), med tillstånd från upphovsrättinnehavarna.
En normal belastning är enligt Jarvis & Schnürer (2009) runt 4-5 kg VS/m3 reaktor per dag
för en termofil process och runt 2-3 kg VS/m3 reaktor per dag för en mesofil process (Jarvis &
Schnürer, 2009). Däremot rekommenderar Carlsson & Schnürer (2011) en organisk
belastning på cirka 0.5-3 kg VS/m3 vätska för substrat innehållande lättnedbrytbara ämnen.
Ett substrat som innehåller ämnen som är toxiska för mikroorganismerna i processen kan
behöva spädas ytterligare för att undvika inhibering (Carlsson & Schnürer, 2011). När optimal
belastning är uppnådd bör den hållas konstant under hela driften (Jarvis & Schnürer, 2009).
3.3.4 Omrörning
Enligt Jarvis & Schnürer (2009) är det fördelaktigt att använda sig av någon typ av omrörning
under rötningsprocessen; omrörningen förbättrar tillgängligheten av substrat till
mikroorganismerna och ger en jämn temperaturfördelning i reaktorn. Jarvis & Schnürer
(2009) påpekar även att omrörningen är speciellt viktig för hydrolysen så att de hydrolytiska
mikroorganismernas enzymer kan spridas så att de får nära kontakt med de molekyler i
substratet som de ska bryta ner. Vidare menar de att omrörning motverkar sedimentering av
material och mikroorganismer, minskar risken för skumbildning samt gynnar
aggregatbildning. Aggregat innebär att mikroorganismer växer tätt tillsammans i klumpar
vilket är bra då det underlättar deras nära samarbete och därmed förbättrar utbytet av vätgas
mellan acetogenerna och metanogenerna. Även om omrörningen till största del är positiv för
rötningsprocessen är det viktigt att den hålls på en optimerad nivå. För kraftig omrörning kan
förstöra aggregaten som bildas mellan mikroorganismerna och därmed försvåra
vätgasöverföringen mellan de syntrofiska grupperna (Jarvis & Schnürer, 2009).
När metanutbyte- och produktion mättes i omrörd respektive icke omrörd labbskalereaktor för
anaerob rötning av Tian et al. (2013), visade det sig att det var lägre metanproduktion i den
omrörda tanken trots att de valde en omrörningshastighet som låg i den nedre delen av det
rekommenderade området. Även då den aktiva ympen från den icke-omrörda reaktorn byttes
till en omrörd och då ympen från den omrörda reaktorn placerades i en icke-omrörd erhölls
liknande resultat. Det noterades även att den icke-omrörda rötkammaren innehöll fler olika
arter av mikroorganismer (Tian et al., 2013).
Carlsson & Schnürer (2011) rekommenderar omrörning för labbskalereaktorer för att få bättre
kontakt mellan mikroorganismer och substrat. För satsvisa flaskförsök rekommenderar de att
flaskorna skakas för hand cirka 1 gång om dagen (Carlsson & Schnürer, 2011).
15
3.3.5 COD:N:P förhållande och C/N kvot
För rötning säger tumregeln att COD:N:P förhållandet bör vara 250:5:1 (Jonstrup et al.,
2011). I en studie av Ammary (2004) beskrevs däremot att de två industriella avloppsvatten
som behandlades krävde mycket lägre koncentrationer av kväve och fosfor än vad som
rekommenderas av tumregeln. För rötning av avloppsvatten från olivkvarnar har studier visat
att ett COD:N:P förhållande på 900:5:1,7 kunde uppnå mer än 80 % reduktion av COD. Detta
skulle i så fall betyda att även om mängden näringsämnen inte lever upp till tumregeln är det
inte säkert att det behöver adderas extra kväve- eller fosforrika ämnen (Ammary, 2004).
Ett annat sätt att utvärdera ett substrats lämplighet är att undersöka förhållandet mellan kol
och kväve i processen, den så kallade C/N-kvoten. Om denna kvot blir för låg finns det risk
för att processen hämmas av ammoniak, och om den blir för hög finns det risk att bakterierna
har kvävebrist. En optimal C/N-kvot bör ligga mellan 15 och 25 (Jarvis & Schnürer, 2009).
3.4 Toxiska/inhiberande ämnen
Industriella avloppsvatten har stora möjligheter att vara attraktiva substrat till anaeroba
rötningsprocesser men på grund av biogasprocessens känslighet är det viktigt att vara
medveten om vilka hämmande substanser som kan finnas i substratet. Då inhibering
förekommer märks det ofta genom att vissa grupper av mikroorganismer (ofta metanogener)
får minskad tillväxthastighet och därmed minskar i population samt att metangasproduktionen
avtar (Chen et al., 2008). I vissa fall återhämtar sig mikroorganismerna efter inhiberingen
men i extremfall är den toxiska effekten icke reversibel. Ett specifikt ämnes toxicitet kan
variera från process till process och beror bland annat på omgivande faktorer som exempelvis
temperatur, pH, koncentration med mera. Även förekomsten av andra inhiberande ämnen kan
påverka toxiciteten genom så kallad antagonism (att de toxiska ämnena tillsammans ger en
lägre inhiberande effekt), synergism (att de toxiska ämnena tillsammans ger en högre
inhiberande effekt) eller komplexbildning (de toxiska ämnena binds till varandra eller till
andra ämnen). Mikroorganismerna kan i vissa fall acklimatisera sig till en högre koncentration
av ett hämmande ämne genom gradvis ökning av koncentrationen (Jarvis & Schnürer, 2009).
Det är mycket stor variation i litteraturen angående hur mycket av ett ämne som krävs för att
uppnå en toxisk effekt, vilket till stor sannolikhet beror på ovan nämnda faktorerna. Exempel
på ämnen som kan verka toxiskt på rötningsprocessen är ammoniak, diverse katjoner,
tungmetaller, sulfider, organiska ämnen så som föreningar med bensenring, halogenerade
alifatiska kolväten, organiska kväveföreningar, långa fettsyror och ligninämnen (Chen et al.,
2008).
Även sulfater kan ha negativ inverkan på biogasprocessen då höga sulfatinnehåll gynnar de
sulfatreducerande bakterierna. Enligt Jarvis och Schnürer (2009) kan COD/Sulfat-ration
användas som en riktlinje vad gäller sulfatinhibering. Med en COD/Sulfat-ratio på över 2,7
kommer metanbildarna att vara dominerande men om ration går under 1,7 kommer de
sulfatreducerande bakterierna ta över mer vilket kan leda till minskad biogasproduktion
(Jarvis & Schnürer, 2009). Ett annat stort problem med högt sulfatinnehåll är de luktproblem
som uppstår då svavelväte bildas.
16
3.5 Störningar i processen
Det finns diverse orsaker till att biogasprocessen råkar ut för störningar, vilka medför att
metanproduktionen hämmas. I detta avsnitt beskrivs några olika anledningar som leder till
störningar.
3.5.1 Ansamling av fettsyror
Jarvis & Schnürer (2009) tar upp några olika anledningar som kan leda till ansamling av
fettsyror, VFA (volatile fatty acids), i en process;
- Om processen överbelastas eller om substratet innehåller material som är
lättnedbrytbart för mikroorganismerna (exempelvis enkla socker och disackarider),
kommer hydrolyssteget och acidogenesen gå fort. Detta kommer ge problem för de
inte lika snabba metanogenerna som är viktiga för att acetogenesen ska ske. Resultatet
blir en ökad koncentration av fettsyror.
- Om hämmande ämnen finns närvarande, eller om temperatur/pH förändras plötsligt,
kommer metanbildarna ofta påverkas kraftigast vilket ger ökad koncentration av
fettsyror.
- Då ett substrat innehåller stor mängd proteiner (låg C/N kvot) finns det risk att
koncentrationen ammoniak i processen ökar. Detta på grund av att proteinerna bryts
ner till aminosyror och peptider i hydrolysen. När aminosyrorna i sin tur bryts ned
bildas ammoniak eller ammonium (beroende på pH). Metanbildarna hämmas först då
ammoniakkoncentrationen ökar och denna hämning ger en ansamling av fettsyror.
- Även ett fettrikt material kan påverka processen negativt. Då fettet byts ned bildas
långa fettsyror vilka har en hämmande effekt på metanogenerna och processen
uppvisar då, på samma sätt som i de övriga fallen, en ansamling av VFA.
Oavsett vad anledningen är leder ansamling av VFA till minskat pH. Minskat pH kan i sin tur
leda att till metanbildningen hämmas, alternativt går mycket långsammare än de andra stegen
i rötningsprocessen (Jarvis & Schnürer, 2009).
3.5.2 Låg eller ojämn gasproduktion
Det är normalt att gasproduktionen hos en process varierar, men en alltför låg gasproduktion
(jämfört med det teoretiska värdet) kan till exempel bero på att materialet består av en stor
andel svårnedbrytbara ämnen. Dessutom blir gasproduktionen lägre än vad den borde vara om
hämmande ämnen förekommer i substratet eller om för dålig utrötningsgrad uppnås (Jarvis &
Schnürer, 2009).
Enligt Jarvis & Schnürer (2009) kan temperaturförändringar leda till ojämn gasproduktion.
Förändringarna kan bero på problem med de instrument som används för att hålla
temperaturen på rätt nivå eller på grund av att vissa material när de bryts ned leder till
värmeutveckling. En förändring i temperaturen verkar ofta hämmande på många
mikroorganismer, och ger därför en minskad metanproduktion (Jarvis & Schnürer, 2009).
3.6 Satsvisa utrötningsförsök
För att kunna utvärdera lämpligheten för biogasproduktion hos industriellt avloppsvatten
krävs en metod för att experimentellt avgöra den maximala metanproduktionen. Ett vanligt
17
sätt att utvärdera ett substrats biogaspotential är att genomföra BMP-försök (Bio Methane
Potential test) även kallade satsvisa utrötningsförsök. Satsvisa försök görs eftersom de är
lättare att genomföra än kontinuerliga försök och satsvisa försök är därför en vanlig metod
inom biogasindustrin för att utreda effekten av olika parametrar som påverkar
rötningsprocessen. Dessa försök visar hur stor del av det organiska materialet i ett substrat
som är nedbrytbart och kan användas till att producera metan (Carlsson & Schnürer, 2011).
Under BMP-försök är det viktigt att förhållandena är kontrollerade så att det inte finns något
som inhiberar eller begränsar biogasproduktionen samt att ympen hämtas från en anläggning
som använder ett komplext substrat så att mikrofloran har hög biodiversitet och är väl
balanserad (Smith et al., 2013). Mängden metan som totalt har producerats under
försöksperioden anges i enheten Nl CH4/kg VS, där N står för att metanvolymen är
normaliserad till standardtemperatur och -tryck (273,15 K och 1 atm) (Carlsson & Schnürer,
2011).
3.6.1 Utrötningsgrad
Ett sätt att beskriva hur stor andel av det organiska materialet som har använts som substrat av
mikroorganismerna under en viss tid är att ange utrötningsgrad (anges i procentenheter).
Enligt Jarvis & Schnürer (2009) är utrötningsgraden oftast högre då rötningen körs satsvis än i
kontinuerliga processer. De menar att även om det är teoretiskt möjligt att uppnå en
utrötningsgrad på 100 % i en satsvis process är det inte något att eftersträva då det skulle
kräva mycket långa rötningstider. Substratets sammansättning har stor inverkan på vilken
utrötningsgrad som kan uppnås, lättnedbrytbara substrat uppvisar högre utrötningsgrad (Jarvis
& Schnürer, 2009). Utrötningsgraden kan beräknas enligt ekvation 2:
(2)
3.7 Hastighet för biogasprocessen - hydrolyskonstanten
Hastigheten för biogasproduktionen kan utvärderas med hjälp av hydrolyskonstanten för att
granska skillnaderna mellan olika driftstemperaturer, ymper och substrat. Enligt DonosoBravo et al. (2009) anses hydrolyssteget ofta vara det hastighetsbestämande steget för
biogasprocessen vid rötning vid låg temperatur. Detta beror på att nedbrytningen i hydrolysen
sker med hjälp av enzymer och att aktiviteten för dessa enzymer är temperaturberoende och
minskar med minskad temperatur (Donoso-Bravo et al., 2009). Förutom temperaturen
påverkas även enzymernas aktivitet av pH. Generellt sätt är enzymaktiviteten högst vid pHvärden mellan 6-8 men vilket som är det optimala pH-värdet skiljer sig mellan olika enzymer.
Då rötningstemperaturen och pH hålls konstant, kommer ytan som finns tillgänglig av de
partikulära substraten vara den viktigaste parametern för hydrolyshastigheten då det enligt
Sanders (2001) anses finnas ett överskott av enzymer (Sanders, 2001).
BMP-kurvornas utseende kan beskrivas med hjälp av den totala metanproduktionen,
eller
, och hydrolyskonstanten, , som beskriver tiden vid vilken halva den totala
metanproduktionen uppnåtts (Koch & Drewes, 2014). Hydrolyskonstanten ger värdet på hur
18
fort substratet bryts ner och om hydrolysen antas vara det begränsande steget ger
hydrolyskonstanten ett mått på hur fort omvandlingen till biogas sker (Smith et al., 2013).
Båda parametrarna, hydrolyskonstanten och den totala metanproduktionen, tas vanligen fram
igenom att anpassa data från BMP-försök. Anpassningen kan göras med hjälp av en solver i
Microsoft Excel eller med modellen Anaerobic Digestion Model No. 1, ADM1,
implementerad i till exempel Matlab (Koch & Drewes, 2014).
Det finns ett par olika ekvationer för att bestämma hydrolyskonstanten beskrivna i litteraturen.
Den mest kända metoden är utvecklad av Angelidaki et al. (2009) och grundar sig på första
ordningens kinetik och återges i ekvation 3 (Angelidaki et al., 2009). För att kunna anta första
ordningens kinetik krävs det normal tillväxt av mikroorganismerna, alltså att de inte saknar
tillgång på viktiga näringsämnen och att ingen inhibering av mikroorganismerna sker (Koch
& Drewes, 2014).
(3)
När ekvation 3 av Angelidaki et al. (2009) integreras kommer ekvation 4, som beskriver
förhållandet mellan mängden nedbrytbart material och metanproduktionen, erhållas.
(4)
Ekvation 4 kan därefter skrivas om till ekvation 5 som kan användas för att bestämma
hydrolyskonstanten och den totala metanproduktionen.
(5)
Metoden beskriven av Angelidaki et al. (2009) syftar till att bestämma metanpotentialen hos
ett fast organiskt material.
Eastman och Ferguson (1981) härledde fram ett annat uttryck för att bestämma
hydrolyskonstanten, , baserat på att hydrolyskonstanten vid konstant temperatur och vid
konstant pH är en första ordningens ekvation se ekvation 6. Ekvation 9 härleds fram genom
att ställa upp en massbalans för en kontinuerligt omrörd tank (CSTR) ekvation 7 och 8 (Koch
& Drewes, 2014).
19
(6)
(7)
(8)
Uttrycket för hydrolyshastigheten från ekvation 6 används i massbalansen, ekvation 8 för att
härleda ekvation 9.
(9)
I en studie av Koch & Drewers (2014) utvecklas ett uttryck för att enkelt bestämma
hydrolyskonstanten, , (ekvation 12). Koch & Drewers (2014) utgår från antagandet att
hydrolysen är det hastighetsbestämmande steget samt att all metan som bildas kommer från
material som först har hydrolyserats. Från dessa två antaganden härleder de fram ekvation 10
(Koch & Drewes, 2014).
(10)
Koch & Drewers (2014) utvecklar ekvation 9 vidare och utgår då från antagandet att satsvisa
försök i början uppför sig som en (CSTR) med kort uppehållstid och i slutet som en CSTR
med lång uppehållstid. En viktig skillnad som görs för de satsvisa försöken är att F0 och F
mäts i
som i ekvation 9. Om ekvation 10 kombineras med ekvation 9
fås ekvation 11:
(11)
Hydrolyskonstanten, , och parametrarna (
för substratet kan fås fram från ekvation 11. (
) som ger ett mått på det maximala utbytet
) uppnås vanligtvis ej i ett satsvist försök
20
och ger därmed inte samma värde som
Drewes, 2014).
i metoden av Angelidaki et al. (2009) (Koch &
Hydrolyskonstanten, , och parametrarna (
) kan även fås genom att linjärisera
ekvation 11, där parametrarna sedan enkelt kan utläsas från lutningen och skärningen av
kurvan, se ekvation 12 (Koch & Drewes, 2014).
(12)
Ett problem som enligt Brown (2000) kan uppstå då linjäriserade ekvationer används är att
analysen kan bli inkorrekt då analysen genomförts på transformerad data vilket kan förvränga
mätfelet. Han menar att det är bättre att använda en metod där en icke-linjär ekvation kan
anpassas till de experimentella datapunkterna. Ett sätt att genomföra detta är att använda
iterativ icke-linjär least squares fitting (Brown, 2001).
3.7.1 Literaturvärden på hydrolyskonstanten
I en studie av Smith et al. (2013) används två olika metoder för att ta fram
hydrolyskonstanten. Den ena är med den linjäriserade ekvationen av Angelidaki et al. (2009),
ekvation 4, det andra sättet använder ekvation 5 i parameteranpassningsprogramet, ADM1. I
studien används ett Basic Anaerobic Medium enligt Angelidaki et al. (2009), en temperatur på
38 °C och en VS-kvot på ympen på 0,4 samt 0,8. VS-kvoten innebär att 40 % respektive 80 %
av det organiska matrialet kommer från ympen. Värdena för hydrolyskonstanten kan ses i
tabell 3.3 (Smith et al., 2013).
Tabell 3.3 Hydrolyskonstanten bestämd med två olika metoder enligt Smith et al. (2013).
Metod
Linjäriserade ekvationen av
Angelidaki et al. (2009)
Parameteranpassnings
program, ADM1
VS-kvot 0,4
Kh (d-1)
0,14
VS-kvot 0,8
Kh (d-1)
0,18
0,18±0,04
0,14±0,01
Gavala et al. (2003) har gjort en sammanställning av hydrolyskonstanter. I tabell 3.4 visas ett
antal värden på hydrolyskonstanten för olika substrat och temperaturer.
21
Tabell 3.4 Sammanställning av Gavala et al. (2003) på hydrolyskonstanten bestämd med
olika substrat vid olika temperatur.
Substrat
En mix av primär och
sekundärslam, satsvist
försök
Mejeriavloppsvatten med
oupplösta proteiner,
satsvist försök
Mejeriavloppsvatten med
oupplösta kolhydrater,
satsvist försök
Cellulosa, kontinuerligt
försök
Cellulosa, kontinuerligt
försök
Protein, sammanställning
av flera olika försök
Fett, samanställning av
flera olika försök
Kolhydrater,
sammanställning av flera
olika försök
Uppehållstid (d)
-
Kh (d-1)
0,077
0,150
Temperatur (°C)
25
35
-
0,24
-
-
0,13
-
15
30
60
15
30
60
-
0,13
0,14
0,10
0,27
0,34
0,16
0,015-0,075
20
20
20
25
25
25
-
-
0,005-1,7
-
-
0,025-0,2
-
Utifrån tabell 3.4 som är en mindre litteraturstudie går det att avläsa att en högre temperatur
generellt resulterar i en högre hydrolyskonstant. En annan slutsats är att den största
variationen finns hos fettrika substrat som påvisat både högst och lägst hydrolyskonstant.
Detta indikerar att det är svårt att bestämma hydrolyskonstanten för fett. Mindre skillnader på
hydrolyskonstanten syns för kolhydrater och protein.
22
4 Metodbeskrivningar
För att utvärdera huruvida avloppsvatten från Skånemejerier och The Absolut Company är
lämpliga för att producera biogas genomfördes ett antal olika analyser. I detta kapitel
beskrivs; var avloppsvattnet hämtades hos industrierna, vilka data som analyserades från
företagen, vilka metoder som användes för att karaktärisera avloppsvattnet, hur
biogaspotentialen går att uppskatta teoretiskt, metoden för anpassning av ymp och hur BMPförsöken utfördes samt metoden för hur hydrolyskonstanten togs fram för att utvärdera BMPförsöken. Genom resultaten utifrån dessa metoder kommer en lämplighetsutvärdering kunna
göras.
4.1 Skånemejeriers och The Absolut Companys avloppsvatten
Avloppsvattnet som hämtades från Skånemejerier kom från en samling av alla mejeriets
avloppsdelströmmar, vilka kan ses i processchemat i figur 4.1. Avloppsströmmarna kommer
från gränsmjölk från mjölkbehandling och förpackningsstegen samt från diskning av
mjölkmottagningstank, separerings-, pastöriserings-, standardiserings- och
homogeniseringsutrustning och förpackningsmaskiner.
Figur 4.1 Ett blockdiagram över Skånemejeriers avlopp. Alla ”Avlopp” (indikerade med tjock
kontur i figuren) samlas ihop till en gemensam avloppsström där provtagning sker.
The Absolut Companys avloppsvatten hämtades ur strömmen som går vidare till det
kommunala avloppet markerad med en pil i figur 4.2. Detta flöde består av en samling av
samtliga delströmmar från exempelvis diskning av processutrustning och fermentatorer,
drankåtervinningsutrustning och flöden från uppsamlingsbassänger.
23
Figur 4.2 The Absolut Companys avloppsvattensystem. Provtagningsstationen i nedre vänstra
hörnet indikeras med en pil. Från provtagningsstationen går vattnet vidare till det
kommunala avloppet.
4.1.1 Analys av data från industrierna
Industriernas egna data för flöden, pH, temperatur, kväveinnehåll, fosforinnehåll och COD på
avloppsvattnet analyserades för att bedöma lämpligheten för biogasproduktion. Analyserna
genomfördes genom att medelvärden och standardavvikelse togs fram för samtliga parametrar
förutom pH där median, max- och minvärdet beräknades. Även datapunkterna från företagen
uttrycktes i diagram för att se variationen över året och därefter drogs slutsatser utifrån
graferna, medelvärdena och standardavvikelserna för de olika parametrarna.
De värden som erhölls från Skånemejeriers interna mätningar baserades på dygnsmedelvärden
för varje dag i en vecka per månad över ett års tid (år 2013), exempelvis första veckan varje
månad. Detta gällde för alla värden förutom temperaturen där värdena var dygnsmedelvärden
för varje dag från januari till februari 2014.
De värden som erhölls från The Absolut Companys interna mätningar baserades på
veckomedelvärden för varje vecka år 2013. Dessutom evaluerades alla externa analysresultat
från ackrediterat labb (Eurofins) som analyserar The Absolut Companys avloppsvatten, för
varje vecka 2013.
För industriavloppsvattnet från Skånemejerier och The Absolut Company togs COD:N:P
kvoten fram både med hjälp av data från företagen samt med resultat från Dr Lange test. Den
framtagna kvoten jämfördes sedan med tumregeln på 250:5:1 för att utvärdera huruvida det
finns tillräckligt med näringsämnen (fosfor och kväve) i vattnet.
24
4.1.2 Hämtning av prover
Till de olika analyserna och BMP-försöken hämtades avloppsvatten hos Skånemejerier och
The Absolut Company. En sammanfattning av hur proverna togs och hur länge de förvarades
innan respektive analys visas i Appendix 5.
4.2 Karaktärisering av industriavloppsvatten
Karaktärisering för att bestämma andelen kolhydrater, protein och fett gjordes med hjälp av
två olika metoder; modifierad Lowry och Anthrone samt Kleerebezem & van Loosdrecht.
Genom att bestämma andelarna kolhydrater, protein och fett kan substratets biogasutbyte
uppskattas utifrån litteraturvärden på metanutbytet för respektive andel. Genom att andelarna
bestämdes på två olika sätt kan resultaten från de båda karaktäriseringsmetoderna jämföras för
att se om det finns indikationer på att någon av metoderna fungerar bättre än den andra. I fall
indikationer av detta slag finns, kommer en rekommendation på att den
karaktäriseringsmetoden används i framtida försök att ges.
4.2.1 Analys av protein - Lowrymetoden
Substratens proteininnehåll analyserades genom att använda den modifierade Lowrymetoden
enligt Frølund et al. (1996) med BSA (Bovine Serum Albumin) som standard. Lowrymetoden
är en vedertagen metod för att bestämma det totala proteininnehållet i en lösning och den har
låg detektionsgräns vilket gör att det går att detektera även låga proteinkoncentrationer
(Lowry et al., 1951). På grund av detta borde den fungera bra för avloppsvattnen i den här
studien som förmodligen innehåller låga koncentrationer av protein.
Metoden är kolorimetrisk och baseras på att ett blåfärgat komplex bildas då de olika proverna
innehållande protein blandas med Folinreagensen. Koppar bildar komplex med proteinerna
som finns närvarande, den reduceras från Cu 2+ till Cu0 och reducerar i sin tur Folinreagensen
vilket ger den blå färgen. Proven mäts sedan i en spektrofotometer, där en ökande mängd
proteiner ger en ökad absorbans. Genom att göra en standardkurva där BSA i ökande
koncentration används som standard kan mängden protein i substratet beräknas.
Metodprotokoll för Lowrymetoden vid VA-teknik på Lunds Tekniska Högskola bifogas i
Appendix 1.
4.2.2 Analys av Kolhydrater – Anthronemetoden
Substratets kolhydratinnehåll, både poly- och monosackarider, analyserades genom att
använda Anthronemetoden som beskrivs av Dubois et al. (1956) och sedan har modifierats av
Raunkjær et al. (1994). Detta är en etablerad metod för att undersöka mängden kolhydrater i
ett prov (Brooks et al., 1986). Metoden har låg detektionsgräns vilket gör att det går att
detektera även för låga koncentrationer och enkelt går att genomföra vilket gör den lämplig att
använda i den här studien då avloppsvattnen förmodligen innehåller endast låga
koncentrationer av kolhydrater.
I Anthronemetoden hydrolyseras kolhydraterna ner till monosackarider genom hydrolys med
stark syra vid 100 °C. Metoden är kolorimetrisk då monosackariderna bildar ett komplex med
Anthronereagensen vilket gör att lösningen får en grön färg. Färgintensiteten är proportionell
mot koncentrationen kolhydrater. Proven mäts sedan i en spektrofotometer där en ökande
25
mängd kolhydrater ger en ökad absorbans. Genom att göra en standardkurva där D(+)-glukos
i ökande koncentration används som standard kan mängden kolhydrat i substratet beräknas.
Metodprotokoll för Anthronemetoden vid VA-teknik på Lunds Tekniska Högskola bifogas i
Appendix 2.
4.2.3
Analys av protein/fett/kolhydrater enligt Kleerebezem & van Loosdrechtmetoden
Kleerebezem & van Loosdrecht (2006) beskriver en metod för hur det organiska substratets
ungefärliga sammansättning kan bestämmas genom diverse VA-tekniska standardmätningar
samt uträkningar (Kleerebezem & van Loosdrecht, 2006). Mätningarna som krävs för detta är:
-
COD
TOC
Alk VFA
Norg
Organiskt kväve, Norg , beräknades ur totalkväve (NTot), Ammoniumkväve (NNH4), kväve i
form av nitrat (NNO3) och kväve i form av nitrit (NNO2), genom ekvation 13.
(13)
COD, TOC och Norg erhölls enkelt med hjälp av fördoserade reagenser (Dr Lange tester) och
Alk VFA erhölls genom 5-punktstitreringsmetoden.
Dr Lange
För att utföra ovan nämnda analyser användes HACH LANGE tester. Dessa är fördoserade
reagenser i en tub var till substratet tillsätts enligt anvisningen i förpackningen. Därefter
avläses resultatet spektrofotometriskt (HACH LANGE spektrofotometer modell DR 2800).
De tester som användes kan avläsas i appendix 3 A. och ett exempel på hur Dr Lange kyvetter
kan se ut visas i figur 4.3.
Figur 4.3 Dr Lange kyvetter för ett flertal av de analyserade parametrarna.
26
TOC-analysatorn
Ett alternativ till Dr Lange för bestämning av TOC-koncentrationen var att analysera proverna
i TOC-analysatorn “Total organic carbon analyser TOC-5050A” som är sammankopplad med
en automatisk provtagare “Auto Sampler ASI-5000A” båda av märket SHIMADZU. TOCanalysatorn är en gaskromatograf och är förkalibrerad med standardkurvor för TC (total
carbon) och IC (inorganic carbon) och genom att mäta koncentrationerna av dessa kan sedan
TOC-koncentrationen beräknas enligt ekvation 14.
(14)
För att inte partiklarna i vattnet skulle sätta igen analysatorns rör filtrerades vattnet innan
analysen. Samtidigt mättes COD på både de filtrerade proverna och de ofiltrerade proverna
för att få en kvot på hur mycket av materialet som försvann vid filtreringen för respektive
avloppsvatten. Dessa kvoter multiplicerades sedan med de erhållna TOC-värdena för att
kompensera för materialförlusterna. Ett antagande som gjordes i samband med detta var att
förhållandet TOC innan och efter filtrering ändrades på samma sätt som förhållandet COD.
Resultaten från TOC-analysatorn som användes i uträkningarna är ett medelvärde från två
oberoende mätningar.
Fempunktstitrering
För att bestämma bikarbonatalkaliniteten och mängden VFA i avloppsvattnet användes
fempunktstitreringsmetoden beskriven av Moosbrugger et al. (1992). I metoden beskrivs hur
alkaliniteten kan bestämmas genom att mäta initialt-pH samt titrera kända volymer av syra till
pH 6.7, 5.9, 5.2 och 4.3. För att genomföra uträkningarna krävs det även att fosfat, ammonium
och sulfidkoncentrationerna är kända. Koncentrationerna på dessa och volymerna som
krävdes för att nå de förbestämda pH-värdena, matades sedan in i ett datorprogram utvecklat
av Moosbrugger et al. (1992) varifrån
och
erhölls (Moosbrugger et al., 1992).
Fempunktstitreringen genomfördes genom att 100 ml av substratet, i omblandad bägare,
titrerades med 0,05 M saltsyra med hjälp av en titreringsanordning av märke Bürette Digital Easy calibration till de önskade pH-värdena. pH mättes kontinuerligt med pH-meter med en
WRW cond 340i pH-meter.
Härledning för bestämning av det organiska substratets sammansättning enligt
Kleerebezem & van Loosdrecht-metoden
Första steget i Kleerebezem & van Loosdrechts-metod var att ta fram molekylformeln för det
organiska materialet. I ett generellt substrat kan denna beskrivas som C xHyO zNvu (kvävets
oxidationstal antas vara –III) där koefficienterna x,y,z,v och u skulle bestämmas
(Kleerebezem & Van Loosdrecht, 2006).
Koefficienten x kunde bestämmas direkt genom antagandet att sammansättningen beskrivs i
C-mol, x=1.
Kvävets koefficient, v, kunde bestämmas genom resultaten för mätningarna av N org och TOC
genom att
27
Laddningen, u, bestämdes genom TOC och resultatet från titreringen,
.
Vidare ställdes en ekvation av elektronbalansen (ekvation 15) för förbränning av substratet
upp i relation till kvoten mellan COD och TOC.
(15)
En balans för C-valens, som grundas på att kolet har möjlighet att skapa fyra bindningar,
ställdes upp enligt ekvation 16.
(16)
Då dessa två ekvationer kombinerades för att lösa ut koefficienterna y och z erhölls ekvation
17 och 18:
(17)
(18)
Enligt de nämnda ekvationerna kunde den ungefärliga sammansättningen av det organiska
substratet bestämmas (Kleerebezem & van Loosdrecht, 2006).
Andel av kolhydrater, fett och protein i substratet
Genom sammansättningen C xHyO zNv u , med substratets framtagna koefficienter, gick det att,
genom vissa antaganden och kända värden, få fram andelen av kolhydrater, fett, proteiner i
substratet. De antaganden som gjordes är framförallt att proteinerna, kolhydraterna och
fetterna utgörs av en standardmolekyl med en viss sammansättning och att VFA utgörs av
acetat. De olika ämnenas sammansättning, oxidationstal (antal elektroner som frigörs per Cmol substrat vid fullständig oxidation), kväveinnehåll och laddning visas i tabell 4.1
(Kleerebezem & van Loosdrecht, 2006).
Tabell 4.1 Standardmolekylernas sammansättning, oxidationstal, kväveinnehåll och laddning.
Tabellen är återskapad från Kleerebezem & van Loosdrecht (2006), med tillstånd från
upphovsrättinnehavarna IWA publishing.
Ämne
Protein
Kolhydrater
Fett
Acetat
Förkortning
Sammansättning
PR
CHO
LIP
VFA
C1H2.52O0.87N0.26
C1H2O1
C1H2.85O0.575
C1H1.5O1-0.5
Oxidations-tal
( )2
(e-mol/c-mol)
4
4
5,68
4
N-innehåll
(Nmol/
Cmol)
0,26
0
0
0
Laddning
(eq/Cmol)
0
0
0
-0,5
Eftersom protein antas vara den enda molekylen som innehåller kväve kunde dess
molfraktion, η PR, bestämmas direkt genom att kväveinnehållet i det organiska substratet (v)
och kväveinnehållet i standardproteinet är känt. Uträkningen för molfraktionen visas i
ekvation 19.
28
(19)
Likaså är VFA det enda ämnet med laddning och därför kunde molfraktionen av VFA, η VFA,
bestämmas genom laddningen på det organiska substratet (u) och laddningen på VFA enligt
ekvation 20.
(20)
Andelen fett beräknades genom att använda oxidationstalen för de olika ämnena. Totala
oxidationstillståndet kunde fås genom de bestämda COD och TOC-värdena, se ekvation 21.
(21)
Dessutom kunde det totala oxidationstillståndet beskrivas genom att lägga ihop de olika
ämnenas oxidationstillstånd, ekvation 22.
(22)
Ekvation 22 kunde sedan skrivas om enligt ekvation 23-25 eftersom alla ämnen utom
lipiderna har oxidationsstalet 4 och summan av alla molfraktioner blir 1, se ekvation 24.
Ekvation 25 lades sedan ihop med ekvation 21 för att få ett uttryck för molfraktionen av fett,
ekvation 26.
(23)
(24)
(25)
(26)
Till slut beräknades molfraktionen av kolhydrater enkelt genom att summan av alla
molfraktioner är 1, se ekvation 27.
(27)
Med denna metod kan molfraktionen för kolhydrater, fett, proteiner och VFA erhållas
(Kleerebezem & van Loosdrecht, 2006).
4.3 Analys av TS och VS
För att bestämma halten organiskt material i avloppsvattnen analyserades VS. Analysen av
VS innefattar vanligtvis två steg (Vahlberg et al., 2013):
- Till att börja med bestäms TS genom att torka en känd mängd av substratet i en ugn
på 105 °C i cirka 20 timmar.
- Därefter bränns den torkade delen av substratet vid 550 °C i två timmar.
29
TS och VS beräknas enligt ekvation 28 och 29 (Vahlberg et al., 2013):
(28)
(29)
Enligt Vahlberg et al. (2013) är det två antaganden som behöver göras för att bestämma TS
halten; det bara är vatten som avgår då provet hettas upp samt att det inte sker några
reaktioner i samband med upphettningen.
Ett problem som uppstår med den här analysen är att flyktiga ämnen till exempel alkoholer
och VFA förångas vid upphettningen vilket kommer ge ett felaktigt värde på TS och därmed
även VS-halten (Vahlberg et al., 2013).
4.4 Beräkning av teoretisk biogasproduktion
För att kunna utvärdera och jämföra de experimentellt uppmätta värdena för biogaspotentialen
för Skånemejeriers avloppsvatten och The Absolut Companys avloppsvatten utfördes
beräkningar av den teoretiska biogaspotentialen med Buswells ekvation. Referenssubstratens
biogaspotential jämfördes med litteraturvärdena i tabell 3.2. Förutom Buswells ekvation
beräknades den teoretiska metanpotentialen genom att utgå från hur mycket syre som krävs
för att uppnå fullständig oxidation av metan. De teoretiska värdena på biogasproduktionen
representerar det maximala värdet som vid ideala förutsättningar skulle gå att uppnå med de
undersökta substraten.
4.4.1 Buswellekvationen
En metod för beräkning av den teoretiska mängd biogas som kan utvinnas ur ett substrat
utvecklades av Buswell (Buswell & Neave, 1930). Om fullständig nedbrytning av substratet
till produkterna metan, koldioxid samt ammoniak utan att någon biomassa bildas antas, kan
mängden av de olika produkterna beräknas enligt ekvation 30 (Buswell & Neave, 1930).
(30)
Denna metod var möjlig att använda då substratets sammansättning (C xH yO zNv) bestämdes
enligt Kleerebezem & van Loosdrecht-metoden beskriven i 4.2.3.
4.4.2 Teoretisk metanpotential utifrån mängden COD
Den teoretiska potentialen beräknades enligt reaktionsformeln i ekvation 31-36.
(31)
Ekvation 31 visar att molförhållandet mellan metan och syre är 1:2. Detta ger att mängden
COD som krävs för att bilda ett gram metan kan beräknas enligt ekvation 32-34.
30
(32)
(33)
(34)
Då COD är hur mycket syre som krävs för att oxidera ett organiskt material kan mängden
syrgas antas ekvivalent med mängden COD.
Enligt ideala gaslagen kommer en mol av en ideal gas att ta upp en volym på 22,4 liter vid
standardtemperatur (273,15 K) och standardtryck (1 atm). Detta ger att en mol metan kommer
att ge upphov till 22,4 liter metangas och ett gram metan kommer ge 1,4 liter metangas enligt
ekvation 35.
(35)
Genom att kombinera ekvation 34 och 35 kan den teoretiska volymen metangas per gram
COD bestämmas, ekvation 36.
(36)
4.5 Försöksuppställning för de satsvisa utrötningsförsöken
BMP-försöken är till för att experimentellt utvärdera lämpligheten hos substraten för
biogasproduktion. I Hansen et al. (2004) beskrivs en metod för att genomföra BMP-försök
och det var denna metod som låg till grund för de två omgångar försök, på vardera cirka fyra
veckor, som utfördes i denna studie. De experimentellt uppmätta värdena för
biogaspotentialen jämfördes med de teoretiska värdena på biogaspotentialen samt med
litteraturvärden för metanutbytet för kolhydrater, protein och fett. Figur 4.4 visar
tidsperioderna för avgasning av ymp, BMP-försök samt anpassning av ymp.
Aktivitet:
v. 7
v. 8
v. 9
v. 10
v. 11
v. 12
v.13
v. 14 v. 15 v. 16 v. 17 v. 18 v. 19
v.20
f l s m t o t f l s m t o t f l s m t o t f l s m t o t f l s m t ot f l s mt o t f l s m - s m - s m - s m - s m - s m - s mt ot f l s
Hämta vatten-Absolut 1
Hämta vatten-Skånemejerier 1
Avgasning till BMP-försök 1
BMP-försök 1
Avgasning till anpassning
Anpassning av ymp till 20 °C
Matning av anpassnings ymp
Avgasning till BMP-försök 2
Hämta vatten-Absolut 2
Hämta vatten-Skånemejerier 2
BMP-försök 2
Figur 4.4 Tidsperioderna för hämtning av avloppsvatten, avgasning av ymp, BMP-försök
samt anpassning av ymp med matning.
4.5.1 Ymp till de satsvisa utrötningsförsöken
I denna studie användes två olika ymper; en granulär ymp från Carlsbergs biogasanläggning i
Falkenberg (VIVAB) som drivs vid 20-27 °C och en mesofil ymp från en kontinuerlig process
31
som drivs vid 35 °C. För att uppnå ett maximalt metanutbyte bör en ymp från en anläggning
som drivs vid den temperatur som försöken skall genomföras vid användas (Carlsson &
Schnürer, 2011). Den granula ympen som normalt drivs vid 25-27 °C ansågs i denna studie
vara van vid 20-gradig temperatur. I den första försöksomgången användes endast ymp från
Sjölunda reningsverk i Malmö (VA SYD). Detta är rötslam och dess driftstemperatur är 35
°C, men den användes för rötning vid både 37 °C och 20 °C. Under tiden som första försöket
pågick anpassades denna ymp till 20 °C. I den andra försöksomgången användes den
anpassade ympen samt den granula ympen från Carlsbergs reningsverk (VIVAB). Alla ymper
som användes i försöket avgasades först i cirka tre dygn för att ympen skulle bryta ned det
substrat som redan fanns tillgängligt, innan de användes för att starta upp BMP-försöken.
Ymperna avgasades genom att dunkarna innehållande ymp placerades i värmeskåp med en
temperatur motsvarande drifttemperaturen i fullskaleanläggningarna de var hämtade ifrån.
4.5.2 Anpassning av ymp till ambient temperatur
Anpassningen skedde genom att ympen från Sjölunda reningsverk fick stå i 4 veckor i 20 °C
innan BMP-försöken genomfördes. Under anpassningen användes två stycken 25 liters dunkar
med 15 liter ymp i varje. Dunkarna placerades till att börja med i ett värmeskåp på 35 °C för
avgasning under fyra dagar. Därefter luftades dunkarna med kvävgas i tio minuter vardera för
att få en anaerob miljö och de placerades sedan i varsin back i ett dragskåp, se figur 4.5.
Öppningarna täcktes med plastfolie med små hål i och en löst påskruvad kork för att undvika
övertryck i dunkarna men även för att bibehålla så anaerob miljö som möjligt. Ympen
matades under anpassningsperioden två gånger per vecka med 425 ml primärslam (från
Sjölunda reningsverk) per dunk för att uppnå en organisk belastning på 0.2 kg VS/m 3·dag.
Efter att primärslammet hällts i skakades dunkarna och ympen luftades sedan med kvävgas i
två minuter vardera för att återigen uppnå en anaerob miljö. Innan anpassningens start togs
prover för TS, VS och VFA, innan varje matning togs prover för VFA-analys.
Figur 4.5 Ympen förvarades under anpassningen i 25 liters dunkar, i backar i dragskåp.
För att kunna jämföra de anpassade ympernas biogasproduktion och hydrolyskonstanter
genomfördes experimenten även med icke-anpassad ymp.
32
VFA-provtagning
Då ansamling av fettsyror, VFA, leder till att metanbildningen hämmas, var det mycket
viktigt att kontrollera så att anpassningen av ympen inte gav någon ansamling av VFA. Därför
kontrollerades VFA kontinuerligt under anpassningen enligt följande metod.
Proverna för VFA togs ur slamdunkarna innan varje matning. Slammet hälldes i eppendorfrör
som placerades i en centrifug (Centronix Microcentrifuge 1236V) och centrifugerades i cirka
3 minuter med 12000 g. Efter centrifugeringen filtrerades supernatanten genom ett filter med
filterstorlek 6-10 μm av märket Munktell, Art. Nr 21 2004. Sedan togs 900 μl av det filtrerade
provets supernatant och blandades med 100 μl 10 % fosforsyra. Proverna förvarades i
glasampuller med lock i kylskåp tills analyserna genomfördes.
Proverna analyserades med avseende på acetat- och propionatkoncentration i en
gaskromatograf av märket GC Agilent 6850 Series GC System med en
flamjoniseringsdetektor och en kolonn från Agilent J&W GC Columns (19095F-123E) längd
30 m, diameter 0,530 mm och film 1,0 µm.
4.5.3 Substrat till de satsvisa utrötningsförsöken
Som substrat till BMP-försöken användes avloppsvatten från Skånemejerier och The Absolut
Company. För att kunna jämföra innehållet i avloppsvattnen som karaktäriserades med
avseende på fett, kolhydrater och proteiner användes referenssubstrat för de olika
kategorierna. Som referenssubstrat i form av fett valdes grädde, då det animaliska fettet i
grädden ansågs likna fettet som finns i avloppsvattnet från Skånemejerier. Som
proteinreferens valdes gelatinpulver då det hade använts i en tidigare studie av Sanders (2001)
och ansågs vara lätt att använda. Till referens vad gäller kolhydrater användes cellulosapulver.
Eftersom cellulosa ofta används som referenssubstrat till BMP-försök var det självklart att
använda även i detta försök. I Appendix 3B. visas vilka märken av de olika substraten för fett,
protein och kolhydrat som användes.
När avloppsvattnet som användes som substrat till de två BMP-försöken hämtades kan ses i
Appendix 5. Värt att notera är att avloppsvattnet från The Absolut Company som skulle
användas till BMP-försök 2 ej räckte till att starta upp alla flaskor. Till två av flaskorna med
den granula ympen användes på grund av detta avloppsvatten från The Absolut Company som
förvarats fryst i sex veckor.
Substraten som skulle användas till BMP-försöken karaktäriserades med avseende på TS och
VS. Eftersom substraten utgörs av avloppsvatten, grädde och pulver krävdes ingen
homogenisering innan uppstarten av BMP-försöken.
4.5.4 Utförande av de satsvisa utrötningsförsöken
Till försöken användes 2-liters glasflaskor som förbereddes tre och tre. Vikten på flaskorna
och deras exakta volym hade tidigare noterats. Ymp och substrat mättes upp med våg och
hälldes i de olika flaskorna. Hur mycket substrat och ymp som tillsattes beräknades fram
utifrån att förhållandet mellan VS-halterna på ymp och substrat skulle vara
. Ekvationerna
för beräkningen samt de olika volymerna/massorna som tillsattes till de olika flaskorna av
33
ymp respektive substrat för BMP-försök 1 och 2 kan ses i Appendix 4. Försöken utfördes med
en vätskevolym på 0,5 liter för referenssubstraten och 1 liter för avloppsvattnen.
Efter att ymp och substrat blandats i rätt proportioner gasades flaskorna med kvävgas för att
uppnå anaerob miljö. De stängdes med gummi-septum och skruvkork av metall och
placerades i ett värmeskåp på 37 °C respektive 20 °C. De två första veckorna mättes den
ackumulerade gasproduktionen i flaskorna varannan dag genom mätningar med
gaskromatografi (GC), se figur 4.6. Mätningarna genomfördes genom att 0,2 ml gas samlades
upp med hjälp av en trycklås-spruta, Pressure-lok precision analytical syringe av märket
Scantec Lab, och injicerades i gaskromatografen. Gaskromatografen som användes var GC
Agilent 6850 Series GC System med en termisk konduktivitetsdetektor och en kolonn från
Agilent J&W GC Columns (19091Z-413E) längd 30 m, diameter 0,32 mm och film 0,25 µm.
Därefter, mättes metanproduktionen två gånger/vecka. Innan varje mätning skakades
flaskorna och en referensmätning med 100 % metan genomfördes. Då resultatet av den
integrerade topparean för en flaska var över 15 000 tömdes gasen i flaskan för att undvika att
flaskorna skulle gå sönder till följd av övertryck. Detta gjordes genom att injicera en öppen
nål i gummi-septumet och låta gasen flöda ut så att trycket utjämnades och därefter mättes
metanhalten igen. I fortsättningen tömdes flaskorna när resultatet av gasmätningen i en flaska
visade över 1,4 gånger mer än förra mätningen, enligt ekvation 37.
(37)
För den första försöksomgången avslutades de experimenten som rötats vid 37 °C efter 31
dagar och de 20-gradiga flaskorna, förutom fett och protein, avslutades efter 42 dagar då
kurvorna för metanproduktionen hade planat ut. Fett och protein vid 20 °C avslutades efter 50
dagar.
För den andra försöksomgången avslutades de första flaskorna efter 34 dagar då kurvorna för
metanproduktionen hade planat ut. Detta var The Absolut Companys avloppsvatten som rötats
med båda ymperna samt protein för granul-ympen. De övriga flaskorna förutom fett och
protein med den anpassade ympen avslutades efter 48 dagar då kurvorna för
metanproduktionen för även dessa flaskor hade planat ut. Fett och protein avslutades efter 51
dagar.
Figur 4.6 Metod för metanmätning med gaskromatografen.
34
Vid analys av resultaten användes följande metod för att erhålla ett så representativt resultat
som möjligt: Resultatet från en flaska i ett triplikat bortsågs ifrån om dess slutvärde avvek
med mer än 20 % från medelvärdet på slutvärdet för de båda övriga flaskorna i triplikatet.
Detta urval gjordes för att få ett så representativt resultat som möjligt.
Utrötningsgraden beräknades enligt ekvation 38. Denna ekvation är modifierad från
ekvationen för beräkning av utrötningsgrad beskriven av Vahlberg et al. (2013).
(38)
VSin baserades på ett medelvärde för alla tre flaskor med samma substrat i, medan VSut
baserades på en flaska som var representativ för det substratet.
4.6 Bestämning av hydrolyskonstanten
Den iterativa icke-linjära least squares fitting metoden som beskrivs av Brown (2001)
användes i Microsoft Excel för att bestämma parametrarna
och
eller
med hjälp
av ekvation 5 och 11, grundade på första ordningens kinetik, utifrån de erhållna datapunkterna
från BMP-försöken. Metoden av Brown (2001) fungerar som en cyklisk process, där värdet på
summan av det relativa felet för anpassningen minimeras genom iteration. Den cykliska
processen krävde från början en gissning av startvärdena på de parametrar som undersöktes.
Utifrån startvärdena beräknades ett värde på summan av det relativa felet, därefter ändrades
parametrarna något och ett nytt värde beräknades tills dess att det minimala värdet på summan
av det relativa felet var uppnådd (Brown, 2001). Formeln för att beräkna summan av det
relativa felet visas i ekvation 39 (Koch & Drewes, 2014).
(39)
Genom att använda summan av det relativa felet, istället för standardfelet, vilket föreslås av
Brown (2001), undveks det att få mätpunkter i det höga intervallet fick större vikt än flera
mätpunkter som ligger i det låga intervallet (Koch & Drewes, 2014).
Startvärdena uppskattades genom att studera litteraturvärden på
för de olika
-1
referenssubstraten (se tabell 3.4). Startvärdet för
sattes till 0,1 d och till den högsta
uppnådda gasproduktionen, för respektive substrat, i BMP-försöken.
För att avgöra hur väl kurvanpassningen passade till datapunkterna beräknades även
determinationskoefficienten. Determinationskoefficienten varierar mellan 0 och 1, ju högre
värde desto bättre passar anpassningen till de uppmätta mätpunkterna.
Vid beräkning av hydrolyskonstanterna valdes vissa punkter från BMP-kurvorna bort enligt
följande kriterier:
- Då lagfas förekom, togs mätvärden bort om resultatet för mätpunkten ej hade ökat
med mer än 10 % sedan föregående mätning.
- Då kurvan hade planat ut, kontrollerades att tre efterföljande mätpunkter låg inom 5 %
från medelvärdet av punkterna. Då detta var uppfyllt togs efterkommande punkter
35
bort. Detta kriteriet grundades på att Koch & Drewes (2014) väljer att avsluta sina
försök när den dagliga gasproduktionen är mindre än 1 % av den totala
gasproduktionen.
4.7 Lönsamhetsberäkningsekvationer
För att kunna ge en rekommendation till företagen angående hur lönsamt det skulle kunna
vara att röta avloppsvattnen genomfördes ett par enkla räkneexempel. Dessa genomfördes
med värden från företagens egna data på vattenflöden, COD koncentrationer och temperaturer
samt med litteraturvärden och experimentella data erhållna från BMP-försöken.
För att utvärdera potentiell energiåtervinning genom att röta vid 20 °C istället för vid 37 °C
beräknades den årliga kostnaden för uppvärmning från avloppsvattnets utgående
medeltemperatur till 37 °C. Ekvationen för att beräkna den mängd energi som går åt för
uppvärmning visas i ekvation 40, där avloppsvattnet antas ha samma värmekapacitet, c, som
vatten.
(40)
Hur mycket energi som skulle kunna fås ut från en potentiell biogasprocess enligt den
teoretiska biogasproduktionen på 0,35 (l CH4 /g COD) beräknades enligt ekvation 41.
(41)
Hur mycket energi som skulle kunna fås ut från en potentiell biogasprocess beräknades även
med hjälp av VS-koncentrationen hos substraten samt med hjälp av de uppmätta värdena på
metanproduktionen från BMP-försöken enligt ekvation 42.
(42)
36
Hur stor volymsskillnaden på rötkammaren skulle bli vid 20 °C jämfört med vid 37 °C
uppskattas utifrån uppehållstiderna från de satsvisa försöken genomförda i denna studie.
Förhållandet mellan uppehållstid och volym visas i ekvation 43.
(43)
37
38
5 Resultat och diskussion
Resultaten för de olika metoderna som beskrevs i kapitel 4 presenteras i detta kapitel med
avseende på att bedöma huruvida avloppsvattnet från de två olika företagen, Skånemejerier
och The Absolut Company, är lämpliga till att producera biogas. För att avgöra lämpligheten
hos olika ymper och substrat för biogasproduktion analyseras resultaten från BMP-försöken
och hydrolyskonstanten. Resultaten från karaktäriseringsmetoderna analyserades med
avseende på att rekommendera en utav dem till framtida studier. För att kunna ge en
rekommendation till företagen analyseras även resultaten från dataanalysen och
lönsamhetsberäkningarna.
5.1 Resultatet av dataanalysen av Skånemejeriers och The Absolut
Companys avloppsvatten
Industriernas egna data för flöden, pH, temperatur, kväveinnehåll, fosforinnehåll och COD på
avloppsvattnet analyserades för att bedöma lämpligheten för biogasproduktion.
5.1.1 Analys av interna data - Skånemejerier
Figur 5.1 till 5.6 visar hur vattenflödet, COD-koncentrationen, pH, koncentrationen av fosfor,
koncentrationen av kväve samt temperaturen varierar med tiden. I tabell 5.1 ses även
medelvärde, standardavvikelse och variationskoefficient för dessa parametrar.
Tabell 5.1 Medelvärde, standardavvikelse och variationskoefficient för diverse parametrar
hos Skånemejeriers avloppsvatten.
Parameter
COD (mg/l)
Flöde (m3/dag)
Temperatur (°C)
Tot-P (mg/l)
N-Tot (mg/l)
pH
Medelvärde
2200
1080
28
13
110
Medianvärde
6,8
Standardavvikelse
1000
134
2,7
4,8
40
Minvärde
2,6
39
Variationskoefficient %
47
12
9,4
37
37
Maxvärde
11
Flöde (m3/dag)
2000
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
01-jan
Flöde
Medel
11-apr
20-jul
28-okt
Datum
Figur 5.1 Variationen i flödet hos Skånemejeriers avloppsvatten.
Avloppsvattenflödet, figur 5.1, är en av de parametrar hos Skånemejerier som är mest
konstant med en låg variationskoefficient, se tabell 5.1. Flödet är en av de viktigaste
parametrarna då ett högt flöde tillsammans med en hög COD-koncentration genererar hög
organisk belastning vilket ger stor biogasproduktion. Ett jämnt flöde innebär även stora
fördelar vid design av biogasanläggningen, för till exempel reaktorvolym, storlek på rör och
pumpar. Ett jämnt flöde är också en förutsättning för en oföränderlig uppehållstid i en
kontinuerlig biogas process.
COD-koncentration (mg/l)
7000
6000
5000
4000
3000
COD
2000
Medel
1000
0
01-jan
11-apr
20-jul
28-okt
Datum
Figur 5.2 Variationen i COD-koncentration hos Skånemejeriers avloppsvatten.
Som kan ses i figur 5.2 visar de höga COD-koncentrationerna på att Skånemejeriers
avloppsvatten skulle kunna ha potential för anaerob rötning. Skånemejeriers avloppsvatten
hade en medel COD-koncentration på 2200 mg/l vilket är högre än de 1500 mg/l i CODkoncentration som Orhon et al. (1993) menade var högt och därmed lämpligt substrat för
biogasproduktion i sin studie (Orhon et al., 1993). I tabell 5.1 och i figur 5.2 kan avläsas att
COD-koncentrationen varierar relativt mycket med tiden. Speciellt oroväckande är de höga
topparna i januari och juni som skulle kunna innebära en störning för en potentiell
40
biogasprocess. Risken beror på att en plötslig ökning i COD leder till en ökad organisk
belastning vilket är en driftparameter som bör hållas så konstant som möjligt.
14
12
pH
10
8
pH
6
Median
4
2
0
1-jan
11-apr
20-jul
28-okt
Datum
Figur 5.3 Variationen i pH hos Skånemejeriers avloppsvatten.
Att pH-värdet visar stor variation, mellan 2,6 och 11,0 vilket kan ses i figur 5.3, kommer att
bli mycket problematiskt för en framtida rötningsprocess. pH bör vara stabilt och runt 7 för att
inte metanbildarna skall inaktiveras. Det är viktigt att pH-värdet i processen hålls konstant
men det bör nämnas att processens pH inte kommer att variera på samma sätt som
inkommande pH, då volymen i reaktorn är mycket större än inkommande flöde. Det pH
avloppsvattnet har när det kommer in i biogasprocessen motsvarar dock inte nödvändigtvis
det pH processen håller och behöver inte ha så stor påverkan. Trots de stora variationerna
hamnar medianvärdet på 6,8 vilket är ett rimligt värde för en biogasprocess, därför skulle en
bufferttank där pH variationerna kan utjämnas innan avloppsvattnet går in i själva
rötkammaren vara en lösning om pH trots allt skulle bli ett problem i en framtida
biogasanläggning.
40
Temperatur (°C)
35
30
25
20
Temperatur
15
Medel
10
5
0
01-jan
21-jan
10-feb
02-mar
Datum
Figur 5.4 Variationen i temperatur hos Skånemejeriers avloppsvatten.
41
Koncentration N-tot (mg/l)
I figur 5.4 går det att avläsa att medelvärdena över två månader ligger på cirka 28 °C, men
varierar mellan cirka 24 och 38 °C. En temperatur på 28 °C är mellan den optimala
temperaturen för mesofil rötning och den ambienta temperaturen på cirka 20 °C som ympen i
denna studie anpassas till. För att slippa lägga energi på att värma upp vattnet till en optimal
mesofil drifttemperatur på 35-37 °C, skulle det kunna gynna företaget att driva
biogasprocessen vid en lägre temperatur. Det är dock inte rimligt att sänka temperaturen till
20 °C vilket har varit fokus i denna studie. Ympen skulle istället kunna anpassas till en
temperatur på 25-26 °C och vattnet skulle då kunna föras direkt till biogasreaktorn. Om
däremot en bufferttank används för att jämna ut exempelvis pH, kommer även temperaturen
på avloppsvattnet att sjunka. Ytterligare utredningar på vilken temperatur som bör användas
för rötning med Skånemejeriers avloppsvatten krävs. Utöver detta ökar mängden metan löst i
vatten vid minskad temperatur. Vid 20 °C är lösligheten är 20 % högre än vid 30 °C med ett
värde på 0,03464 ml CH4 löst i 1 ml H2O (Wiesenburg & Guinasso, 1979). Även detta talar
för en så hög temperatur som möjligt.
180
150
120
90
N-Tot
60
Medel
30
0
0
10
20
30
40
50
Vecka
Figur 5.5 Variationen i totala kvävekoncentrationen hos Skånemejeriers avloppsvatten.
Koncentration Tot-P (mg/l)
28
24
20
16
Tot-P
12
P medel
Medel
8
4
0
0
10
20
30
40
50
Vecka
Figur 5.6 Variationen i totala fosforkoncentrationen hos Skånemejeriers avloppsvatten.
42
Även om totalkväve och totalfosfor-koncentrationerna tydligt varierar i figur 5.5 och 5.6,
visar det sig i tabell 5.2 nedan att COD:N:P förhållandet, beräknat för varje punkt för kväve
och fosfor, enligt företagets interndata är uppfylld med hänsyn till tumregeln på 250:5:1, även
då standardavvikelsen inkluderas. Detta innebär att biogasprocessen ej bör få några problem
vad gäller brist på näringsämnen. Däremot visar de data som erhölls i samband med
labbanalysen i denna studie att det kan finnas problem vad gäller brist på fosfor. I tabell 5.2
kan det ses att koncentrationen kväve i processen är högre än vad tumregeln rekommenderar.
C/N-kvoten rekommenderas ligga mellan 10-30 med ett optimum mellan 15-25. I tabell 5.2
kan det avläsas att C/N-kvoten ligger inom det optimala intervallet. Detta medför att den
något för höga koncentrationen kväve enligt COD:N:P-förhållandet inte anses utgöra något
problem.
Tabell 5.2 COD:N:P-förhållandet och C/N-kvoten för Skånemejeriers avloppsvatten.
Skånemejerier, Interndata,
medelvärde
Skånemejerier, Interndata, +
standardavvikelse
Skånemejerier, Interndata, standardavvikelse
Skånemejerier – VA-teknik
COD:N:P (tumregel 250:5:1)
250:14:1,5
C/N-kvot
23
250:22:1,9
32
250:6:1,2
13
250:15:0,7
16
5.1.2 Analys av interna data - The Absolut Company
Figur 5.7-5.13 visar hur vattenflödet, COD-koncentrationen, pH, temperaturen, samt kväve
och fosforhalten varierar med tiden. I tabell 5.3 ses även medelvärde, standardavvikelse och
variationskoefficient för dessa parametrar.
Tabell 5.3 Medelvärde, standardavvikelse och variationskoefficient för parametrar hos The
Absolut Companys avloppsvatten.
Parameter
COD (mg/l)
Flöde (m3/vecka)
Temperatur (°C)
Kväve (mg/l)
Fosfor (mg/l)
pH
Medelvärde
1100
3340
32
13
15
Medianvärde
9,25
Standardavvikelse
900
875
4,6
6,9
11
Minvärde
6,6
43
Variationskoefficient %
80
26
14
52
76
Maxvärde
10
4900
Flöde (m3/vecka)
4200
3500
2800
Flöde
2100
Medel
1400
700
0
01-jan
11-apr
20-jul
28-okt
Datum
Figur 5.7 Variationen i flödet hos The Absolut Companys avloppsvatten.
Från figur 5.7 kan det ses att flödet ligger relativt konstant på cirka 3300 m3/vecka med några
få undantag. De stora dipparna i kurvan kan delvis förklaras med nedtrappning och
upptrappning av produktion i samband med semesterveckorna mitt i sommaren och delvis
med att det har varit andra problem i processen med felkörning och liknande. Att
produktionen är helt nedlagd under några veckor skulle kunna vara problematiskt vid
drivandet av en biogasprocess men för en anaerob process där tillväxten av mikroorganismer
är långsam har det dock visat sig att mikroorganismerna kan överleva under längre driftstopp
(Kjerstadius, 2014).
4900
4200
COD (mg/l)
3500
2800
COD
2100
Serie2
1400
700
0
01-jan
11-apr
20-jul
28-okt
Datum
Figur 5.8 Variationen i COD-koncentration hos The Absolut Companys avloppsvatten.
Ur tabell 5.3 och figur 5.8 kan det utläsas att COD-koncentrationen på The Absolut
Companys Avloppsvatten varierar kraftigt. Medelvärdet på COD-koncentrationen är relativt
lågt jämfört med Skånemejeriers vatten, med ett värde på 1100 mg/l. Enligt Khanal (2008)
kan dock biogasprocesser drivas effektivt vid låga temperaturer med COD-koncentrationer på
200-600 mg/l. En låg COD-koncentration i avloppsvattnet kan leda till att mängden
44
producerad biogas i en framtida process kan komma att bli låg. De höga topparna i CODkoncentrationen skulle också kunna innebära problem, stor variation i den organiska
belastningen påverkar biogasprocessen negativt. Detta skulle kunna åtgärdas genom en
bufferttank där COD-koncentrationen får utjämnas.
14
12
pH
10
8
pH
6
Median
4
2
0
01-jan
11-apr
20-jul
28-okt
Datum
Figur 5.9 Variationen i pH hos The Absolut Companys avloppsvatten.
I figur 5.9 och tabell 5.3 går det att avläsa att avloppsvattnet har ett pH på 9,25 i medianvärde
vilket skulle kunna vara problematiskt för biogasprocessen. Det basiska vattnet kan medföra
att framförallt de acidogena bakterierna men även de övriga mikroorganismera inhiberas.
Avloppsvattnets pH är relativt konstant, den mest noterbara dippen som går under pH 6 är i
samband med nedstängning av produktionen för sommaruppehåll. Det bör dock nämnas att
det pH som avloppsvattnet har när det kommer in i biogasprocessen inte nödvändigtvis
motsvarar det pH som biogasprocessen håller och behöver inte ha så stor påverkan.
Om det höga pH-värdet trots detta skulle bile ett problem sjunker pH-värdet, enligt
företagrepresentant (Hansson, 2014), företagsdata och observationer i denna studie, då vattnet
får stå i någon dag. Om en biogasprocess skall drivas med detta avloppsvatten som substrat,
behöver därför inte pH-medianvärdet på 9,1 bli något problem. Om vattnet exempelvis skulle
förvaras i en bufferttank i ett dygn innan det pumpas in till processen skulle pH hinna sjunka
till ett lägre värde. Tanken skulle dock behöva ha en volym på cirka 477 m3 för att rymma
vatten från 1 dygn. Sänkningen i pH kan ses i figur 5.10, där de fyrkantiga markeringarna
representerar pH i utloppet för avloppsvattnet och de trekantiga markeringarna representerar
resultat för veckomedel prov som har skickats till analyslabb.
45
14
12
pH
10
8
pH Direkt
6
Median
Medel
pH Senare
4
Median
medel
2
0
01-jan
11-apr
20-jul
28-okt
Datum
Figur 5.10 pH förändring hos The Absolut Companys avloppsvatten efter en kortare
lagringstid.
Det vatten som analyserades på analyslabb hade stått i genomsnitt 4 dagar och hade ett
medianvärde på 7,4. Från observationerna från BMP-försöken syns inte heller några tendenser
på inhibering av mikroorganismer till följd av högt pH och då pH mättes vid avslutade BMPförsök låg det runt 7.
40
Temperatur (°C)
35
30
25
20
Temperatur
15
Medel
10
5
0
01-jan
11-apr
20-jul
28-okt
Datum
Figur 5.11 Variationen i temperatur hos The Absolut Companys avloppsvatten.
I figur 5.11 och i tabell 5.3 går det att avläsa att vattnets temperatur har ett medelvärde på
32 °C. Detta medelvärde ligger något under den optimala temperaturen för mesofil rötning.
Temperaturen är även den driftparameter hos The Absolut Companys avloppsvatten som
varierar minst vilket kan ses på variationskoefficienten i tabell 5.3. För att slippa värma upp
vattnet skulle det kunna vara ett alternativ att driva en eventuell rötningsprocess vid ambient
temperatur. Även då temperaturen sjunker kraftigt vilket kan ses på de stora dalarna i figur
5.11 är vattnet oftast tillräckligt varmt för en rötningsprocess som drivs vid 20 °C.
46
Ett alternativ är att istället för att anpassa en ymp till 20 °C, vilket har gjorts i denna studie,
kan en ymp försöka anpassas till cirka 30 °C. I så fall skulle vattnet kunna föras direkt från
avloppet till biogasreaktorn. Om en bufferttank behövs för att utjämna pH och COD kommer
dock vattnets temperatur att sjunka i denna och avloppsvatten med en lägre temperatur än 30
°C skulle pumpas till rötkammaren. Det bör även tas i åtanke att mer metan löser sig i vatten
vid lägre temperatur. Exempelvis är 20 % mer metan löst vid en temperatur på 20 °C jämfört
med 30 °C (Wiesenburg & Guinasso, 1979). Rätningsprocessen bör därför drivas vid en så
hög temperatur som möjligt.
50
Koncentration N-tot (mg/l)
43
36
29
22
N-Tot
15
Medel
8
1
01-jan
-6
11-apr
20-jul
Datum
28-okt
Figur 5.12 Variationen i totala kvävekoncentrationen hos The Absolut Companys
avloppsvatten.
Koncentration Tot-P (mg/l)
60
50
40
30
Tot-P
20
Medel
10
0
01-jan
11-apr
20-jul
28-okt
Datum
Figur 5.13 Variationen i totala fosforkoncentrationen hos The Absolut Companys
avloppsvatten.
Figur 5.12 och 5.13 visar hur kväve- och fosforhalterna varierar med tiden enligt interna
veckomedelvärdesprov. Både kväve och fosfor koncentrationerna i vattnet varierar kraftigt.
47
Med värdena som har erhållits från The Absolut Companys interndata samt våra egna
analysdata kan medelvärdet för COD:N:P förhållandet och C/N-kvoten för The Absolut
Companys avloppsvatten beräknas och resultatet visas i tabell 5.4. Tabellen visar även
resultaten då de båda näringsämnenas standardavvikelse har adderats och subtraherats från
medelvärdet.
Tabell 5.4 COD:N:P-förhållandet och C/N-kvoten för The Absolut Companys avloppsvatten.
The Absolut Company –
Interndata medelvärde
The Absolut Company,
Interndata + standardavvikelse
The Absolut Company,
Interndata - standardavvikelse
The Absolut Company –
VA-teknik
COD:N:P (tumregel 250:5:1)
250:4:3,8
C/N-kvot
87
250:5:6,4
137
250:2:1,2
37
250:4:1,9
65
Värdena på COD:N:P förhållandet från interna samt egna analysdata tyder på att det finns viss
risk att mikroorganismerna i en framtida process kan komma att lida av kvävebrist (förutom
då den positiva standardavvikelsen används). Däremot finns det tillräckligt med fosfor enligt
detta förhållande oavsett positiv eller negativ standardavvikelse. Enligt vad som beskrevs i
sektion 3.3.6 krävs i många fall inte så höga kväve och fosforkoncentrationser som tumregeln
visar. Trots det lägre förhållandet är det alltså inte säkert att det kommer förekomma
kvävebrist för mikroorganismerna då 250:5:1 bara är en tumregel.
C/N-kvoten, som bör ligga mellan 10-30 med optimum på 15-25, är alldeles för hög på The
Absolut Companys avloppsvatten. Även detta tyder på att kvävebrist skulle kunna råda i en
rötningsprocess. Tillgången på kväve bör undersökas i kontinuerliga försök. Om de
kontinuerliga försöken tyder på kvävebrist, kan extra kväve tillsättas en framtida
biogasprocess eller så kan samrötning med ett kväverikt substrat utredas.
5.2 Resultat av karaktäriseringen av industriavloppsvatten
I detta avsnitt kommer resultatet av de olika andelarna fett, protein och kolhydrater för de två
valda substraten, industriavloppsvatten från Skånemejerier och The Absolut Company,
beräknas med hjälp av två olika metoder; Lowry och Anthrone samt Kleerebezem & van
Loosdrecht.
5.2.1 Resultat för Lowry och Anthrone-metoden
Lowrymetoden används för att bestämma proteinkoncentrationen i substraten. Dess
standardkurva med en linjär anpassning samt ekvationen för den linjära anpassningen visas i
Appendix A.
Genom att använda ekvationen för den linjära anpassningen kan de olika provernas
proteinkoncentration bestämmas utifrån deras absorbans, se Appendix A. Resultaten visas i
tabell 5.5.
48
Tabell 5.5 De olika provernas proteinkoncentration.
Prov
Skånemejerier
The Absolut Company
Proteinkoncentration som BSA (mg/l)
500
71
Genom Anthrone-metoden fås kolhydratkoncentrationen i substraten fram. Standardkurvan
för anthrone med en linjär anpassning samt ekvationen för den linjära anpassningen visas i
Appendix A.
Ekvationen för den linjära anpassningen till standardkurvan ska enligt metoden gå genom
origo. Trots att första mätpunkten för referenskurvans blank med anthrone ligger på 0,026 på
grund av ett misstag med spektrofotometer-nollningen tvingas alltså den linjära anpassningen
genom origo. En uträkning där kurvan ej tvingas genom origo visar att
kolhydratkoncentrationerna i detta fall hade blivit cirka 16 % högre än de värden som visas i
tabell 5.6.
Tabell 5.6 De olika provernas kolhydratkoncentration.
Prov
Skånemejerier
The Absolut Company
Kolhydratkoncentration (mg/l)
120
32
Andel av protein, fett och kolhydrater enligt Lowry och Anthrone-metoden
Efter att koncentrationerna för protein och kolhydrater i substraten tagits fram beräknas de om
till andelar genom att anta att substratens VS representerar den totala mängden av proteiner,
kolhydrater och fett i substraten. Efter att andelen protein och kolhydrater tagits fram antogs
resten av VS-halten utgöras av fett. Andelar av protein, kolhydrater och fett utifrån Lowry och
Anthrone-metoden visas i tabell 5.7 samt i figur 5.14.
Tabell 5.7 Andel protein, fett och kolhydrater i avloppsvattnen från Skånemejerier och The
Absolut Company utifrån Lowry och Antrhrone-metoden.
Prov
Skånemejerier
The Absolut Company
ηpr
0,30
0,17
VS (mg/l)
1650
405
49
ηCHo
0,074
0,078
ηLIP
0,63
0,75
Figur 5.14 Andel protein, fett och kolhydrater i avloppsvattnen från Skånemejerier och The
Absolut Company utifrån Lowry och Antrhrone-metoden.
5.2.2
Resultat från Kleerebezem & van Loosdrecht för andelar protein, fett och
kolhydrater.
Resultaten från Dr Lange testen visas i Appendix 6 B. Det bör nämnas att TOC mätningarna
från Dr Lange analysen inte gav något resultat, istället används resultaten från TOCanalysatorn i Kleerebezem & van Loosdrecht uträkningen. Resultaten från TOC-analysatorn
ses även i appendix 1 E. Resultaten är ett medelvärde från två stycken oberoende mätningar.
Resultaten från titreringen visas i Appendix 6 A. Från Dr Lange resultaten för Ntot , NH4 -N,
NO3-N och NO2 -N kan mängden organiskt kväve beräknas enligt ekvation 13, även dessa
visas i Appendix 6 B.
Det organiska substratets sammansättning enligt Kleerebezem & van Loosdrecht-metoden
Koefficienterna y, z, v och u till formeln för ett generellt substrat, C xHy OzN v u, tas fram och
visas i tabell 5.8.
Tabell 5.8 Sammansättningen för substraten enligt Kleerebezem & van Loosdrecht-metoden.
Substrat
CxHyOzNvu
x
y
z
v
u
Skånemejerier
1
2,6
0,59
0,092
-0,012
The Absolut Company
1
3,6
0,20
0,059
-0,14
Andel av kolhydrater, fett och protein i substratet enligt Kleerebezem & van Loosdrechtmetoden
De olika molfraktionerna av protein, VFA, fett och kolhydrater för de två substraten visas i
tabell 5.9.
Tabell 5.9 Molfraktionerna av protein, VFA, fett och kolhydrater för de två substraten utifrån
Kleerebezem & van Loosdrecht-metoden.
Substrat
Skånemejerier
The Absolut Company
ηpr
0,35
0,23
ηVFA
0,024
0,28
50
ηLIP
0,66
1,9
ηCHO
-0,041
-1,4
Som kan ses i tabell 5.9 blir andelarna orimliga med negativa värden på andelen kolhydrater.
Den troligaste anledningen till detta är att 5-punktstitreringen och uträkningarna för att få ut
alkaliniteterna har blivit fel då en del parametrar krävde antaganden. Det är rimligast att det är
framtagandet av alkaliniteten som blivit fel då de övriga analyserna som användes till
Kleerebezem & van Loosdrecht-metoden var mer beprövade metoder med färre steg som
kunde gå fel. Dock finns alltid en felkälla när det gäller spädning, vilket skedde både till Dr
Lange och till TOC-analysen, denna felkälla bedöms i detta fall som låg då avloppsvattnet var
homogent. En annan felkälla som bör nämnas i samband med TOC resultaten är antagandet
som görs i samband filtrering av vattnet. Detta antagande bedöms dock som rimligt då TOC
utgör en del av COD-koncentrationen i substraten.
Till framtida studier rekommenderas att 5-punktstitreringen jämförs med exempelvis en 2punktstitrering för att se om värdena på alkaliniteten stämmer överens.
De båda karaktäriseringsmetodernas beräknade andelar
I tabell 5.10 finns resultatet från de båda karaktäriseringsmetoderna på hur stor andel protein,
fett och kolhydrater respektive substrat är uppbyggt av. Kleerebezem & van Loosdrechtmetoden ger även andelen VFA.
Tabell 5.10 Andelarna av protein, fett och kolhydrater enligt de båda
karaktäriseringsmetoderna. Dessutom andelen VFA enligt Kleerebezem & van Loosdrechtmetoden.
Substrat
Skånemejerier
The Absolut
Company
Metod
Kleerebezem &
van Loosdrecht
ηprotein
0,35
ηfett
0,66
ηkolhydrater
-0,041*
ηVFA
0,024
Lowry och
Anthrone
Kleerebezem &
van Loosdrecht
0,30
0,62
0,074
-
0,23
1,9*
-1,4*
0,28
Lowry och
Anthrone
0,18
0,75
0,078
-
*Orimligt då andelarna ska vara mellan 0 och 1.
Utifrån tabell 5.10 går det att avläsa att andelen protein blir i stort sätt samma för båda
karaktäriseringsmetoderna för båda substraten. Även andelarna fett för Skånemejerier ger
liknande värden för de båda metoderna. För kolhydrater ger Kleerebezem & van Loosdrechtmetoden negativa värden vilket är osannolikt, men om värdena ligger mycket nära noll är det
möjligt att istället få negativa värden då det alltid finns en viss osäkerhet.
Resultaten för Skånemejeriers avloppsvatten visar att det innehåller framförallt fett och
protein, samt en liten andel kolhydrater. Detta resultat talar emot Perle et al. (1995) som
menar att mejeriavloppsvattnen är naturligt rikt på till största del kolhydrater (Perle et al.,
1995) och studien av Hassan & Nelson (2012) som menar att den största delen av
torrsubstansen (TS) i mejeriavloppsvatten kommer från laktos (Hassan & Nelson, 2012).
Resultat från både Kleerebezem & van Loosdrecht- metoden och Lowry och Anthrone-
51
metoden ger mycket låga kolhydratandelar (cirka noll). Detta anses alltså orimligt då
litteraturstudien indikerade att andelen kolhydrat i avloppsvatten från ett mejeri borde vara
hög. Att resultatet för Skånemejeriers andelar visar att det innehåller till största del fett runt 60
% talar även emot studien av Hassan & Nelson (2012) som visar att mjölkfettet vanligen
representerar 4-22 % av torrsubstansen i avloppsvatten från mejeri (Hassan & Nelson, 2012).
Även för The Absolut Companys avloppsvatten blev resultaten mycket dåliga. Det är väldigt
osannolikt att detta avloppsvatten, från ett destilleri, skulle innehålla en andel av fett på 190 %
eller 75 % då råvaran för att tillverka Absolut Vodka är vatten och vete som bara innehåller
några procent fett. Att dessutom andelen fett skulle vara över 100 % är helt omöjligt. Enligt
resultaten i tabell 5.10 innehöll avloppsvattnet från The Absolut Company i stort sätt inga
kolhydrater alls enligt Lowry och Anthrone- metoden och -140 % kolhydrater enligt
Kleerebezem & van Loosdrecht- metoden. Att få negativa värden är helt orimligt, speciellt då
det är troligt att The Absolut Companys avloppsvatten innehåller framförallt kolhydrater och
proteiner samt bara en liten andel fett eftersom råvaran för tillverkningen är vete.
Som nämndes i avsnitt 5.2.1 blev spektrofotometer-nollningen för Anthronemetoden felaktig
vilket borde ge högre värde på andelen kolhydrater än vad den nu gör. Dock är skillnaden
mycket liten, en 16 % ökning av kolhydratandelen resulterar i att andelen kolhydrater blir
0,085 och 0,090 istället för 0,074 respektive 0,078. Även dessa kolhydratandelar hade
resulterat i en orimligt hög andel fett. Att Kleerebezem & van Loosdrecht- metoden ger
negativt värde på andelen kolhydrater gör att denna metod anses vara osäker för denna typ av
substrat med tunna vatten. The Absolut Companys avloppsvatten har dessutom en hög andel
VFA, nästan 30 % av det organiska materialet består av VFA enligt resultaten i tabell 5.10.
Vid en kontroll med ursprungliga analysresultat (COD-koncentration enligt Dr Lange och
VFA koncentration enligt titrering) erhålls dock ett mycket lägre värde på andelen VFA, 8 %.
Även detta visar på att Kleerebezem & van Loosdrecht-metoden inte är tillförlitlig.
Att andelarna enligt Lowry och Anthrone-metoden är omräknade från koncentration till
andelar med hjälp av VS-halten ger en felkälla. Detta då dessa mycket tunna avloppsvatten
kan påverkas av hur vikten på aluminiumformarna ändras under VS-bestämningen. Dessutom
finns det en risk att vissa flyktiga ämnen (VFA) avgår vid torkning i samband med VSbestämningen. Detta skulle då kunna resultera i att VS-koncentrationerna har blivit för låga
och därmed kan också andelarna beräknade enligt Lowry och Anthrone-metoden ha blivit fel.
En annan felkälla i samband med Lowry och Anthrone-metoden är spädningar samt
problemet med standardkurvan. Att dessutom fettet, som har det högsta litteraturvärdet på
metanpotentialen av de tre ämnena, bestäms genom att anta att allt förutom kolhydrater och
protein är fett kan ge ett mycket missvisande resultat. En positiv aspekt med denna metod är
dock att andelarna kolhydrater och proteiner bestäms helt oberoende av varandra.
Andelarna beräknade enligt Kleerebezem och van Loosdrecht- metoden baseras på ett stort
antal olika mätningar och många led av uträkningar. Ifall någon av de mätningarna blivit fel,
kommer det påverka resultatet för alla andelarna. Fel på mätningarna skulle kunna bero på
felkällorna som nämnts tidigare i samband med de olika metoderna. Dessa felkällor är
spädning i samband med Dr Lange och TOC, filtreringen i samband med TOC och
52
antagandena i samband med framtagandet av alkaliniteten. Att Kleerebezem och van
Loosdrecht-metoden även ger andelen VFA, vilket inte Lowry och Anthrone-metoden gör,
kommer påverka resultatet av kolhydratandelen som bestäms genom att subtrahera de övriga
andelarna från 1. För Skånemejerier där andelen VFA är en väldigt liten del kommer det inte
påverka resultaten nämnvärt, men för The Absolut Company gör det stor skillnad i detta fall.
Båda dessa metoder skulle kunna utvärderas genom att även andelarna av fett, kolhydrater
och proteiner i referenssubstraten analyserades. Då det redan är känt exempelvis hur stor
andel av fett som vispgrädden innehåller hade man genom denna typ av analyser kunnat
avgöra tillförlitligheten hos metoderna.
5.3 COD/Sulfat-ratio
För att undersöka eventuell inhibering av metanproduktionen på grund av sulfatreducerande
mikroorganismer beräknas COD/sulfat (SO4 )-ration för de båda avloppsvattnen baserade på
Dr Lange resultaten. Resultaten visas i tabell 5.11.
Tabell 5.11 COD/Sulfat-ration för de två avloppsvattnen använda i studien.
Prov
Skånemejerier
The Absolut Company
COD (mg/l)
2420
813
Sulfat (mg/l)
137
40,9
COD/Sulfat-ratio
17,6
19,8
Resultaten på COD/Sulfat-ration visar på att det inte finns någon risk för inhibering på grund
av sulfat för något av de två substraten. Ration bör vara över 2,7 för att metanbildarna skall
vara dominerande och detta är uppnått med god marginal.
5.4 Resultat från de satsvisa utrötnings försöken
BMP-försöken utfördes för att utvärdera lämpligheten hos substraten för biogasproduktion.
5.4.1 Anpassning av ymp till BMP-försök
I tabell 5.12 kan VS-koncentrationen samt standardavvikelsen för VS-koncentrationen hos
ympen före och efter den 4 veckor långa anpassningen utläsas. Även VFA koncentrationen
före och efter anpassningen visas i tabell 5.12.
Tabell 5.12 VS-koncentrationen samt VFA-koncentrationen hos ympen före och efter
anpassning.
Ymp
Innan anpassning
Efter anpassning
VS (g/l)
Standardavvikelse
11,0
11,1
0,0685
0,0216
VFA
(mg acetat/l COD)
22,8*
13,1*
* Medelvärden för acetatkoncentrationen i dunkarna. Värdena är under lägsta kalibrator nivån
på 25 mg/l COD.
Utifrån dessa resultat kan det konstateras att anpassningen ej påverkade VS-halten. Detta är
positivt då en minskning i VS-halten hade kunnat vara en effekt av att ympen började bryta
ned sig själv. Den lilla ökningen i VS skulle kunna bero på att primärslam tillsatts som
53
substrat till ympen och inte har brutits ned helt och hållet eller att ympen har växt under
anpassningstiden.
VFA-koncentrationen ger ytterligare ett sätt att kontrollera att ympen ej har inaktiverats eller
hämmats under anpassningen. Resultaten från VFA-mätningarna av de båda dunkarna visade
mycket låga halter av actetat (mg/l COD) och ingen propionat (mg/l COD) både före och efter
anpassning. Utifrån resultaten på VS-koncentration och VFA-koncentration dras slutsatsen att
ympen var bra när den användes till BMP-försök 2.
5.4.2 BMP-kurvor för BMP-försök 1 och 2
Resultaten från BMP-försöken för de olika substraten visas i figur 5.15-5.19. Triplikaten för
de olika kurvorna visas i Appendix 6 C. I de fall då slutvärdet för metanpotentialen hos en av
flaskorna i triplikatet avvikit med mer är 20 % från slutmedelvärdet av de andra två har dessa
resultat tagits bort i totalkurvorna som visas nedan. Detta har skett för totalkurvorna med
Kolhydrater vid 37 °C och The Absolut Company vid 20 °C för BMP 1 samt Fett granuler,
Skånemejerier granuler och The Absolut Company granuler i BMP-försök 2.
Metanproduktion (Nl/kg VS)
800
700
600
Skånemejerier, Anpassad ymp,
20 °C, BMP 2
500
400
Skånemejerier, Granuler, 20 °C,
BMP 2
300
200
Skånemejerier, 20 °C, BMP1
100
0
0
10
20
30
40
50
60
Tid (dagar)
Figur 5.15 Resultat från BMP-försök med Skånemejeriers avloppsvatten som substrat.
BMP-kurvorna för Skånemejeriers avloppsvatten, figur 5.15, skiljer sig markant från
varandra. Den kurva som mest avviker från de andra är då granuler användes som ymp i
BMP-försök 2. Denna kurva liknar den anpassade ympens kurva under de första tio dagarna,
men sedan stannar den av helt på en mycket låg total metanproduktion (cirka 135 NL/kg VS).
Detta kan bero på att granulerna inte är acklimatiserade till substrat med mycket mjölkfett
eller mjölkproteiner och de får därför svårt att hydrolysera dessa ämnen vilket leder till en
ineffektiv biogasprocess. Detta har även observerats av Perle et al. (1995) som konstaterar att
proteinet i mejeriprodukter finns i form av kaseinmiceller vilket kan ställa till med problem
för mikroorganismerna vid rötning. Dessutom skriver Perle et al. (1995) att det finns en risk
att de långa fettsyrorna från mjölkfettet kan ha en inhiberande effekt på metanogenesen (Perle
et al., 1995).
54
Om processen har blivit sur skulle även det kunna ge minskad biogasproduktion och då pH
mättes efter avslutat försök visade det ett pH på 6,78. Detta är något lägre än det önskade pHvärdet på 7, vilket tyder på att någon typ av försurning kan ha skett. Dock visade VFA
analyser att det inte fanns något problem med ansamling av fettsyror.
I figur 5.15 kan det även ses att då den icke-anpassade ympen i BMP-försök 1 användes kom
metanproduktionen igång snabbt och stannade sedan av på ett värde på runt 600 NL/kg VS
innan det började öka igen till den sista mätpunkten. Det hade, om mer tid funnits, varit
intressant att se hur högt kurvan för BMP-försök 1 skulle nått om rötningen fortsatt.
Då den anpassade ympen användes i BMP-försök 2 får kurvan en sigmoidal form. Detta är
inte helt ovanligt då fettrika substrat rötas, vilket till exempel kan ses i Davidsson et al. (2008)
där oleinsyra och stearinsyra användes som substrat för anaerob rötning (Davidsson et al.,
2008). Efter 34 dagar har dock metanpotentialen då den anpassade ympen i BMP-försök 2
användes uppnått samma värde som då den icke-anpassade ympen användes.
Metanproduktion (Nl/kg VS)
800
700
600
The Absolut Company,
Anpassad ymp, 20 °C, BMP 2
500
400
The Absolut Company,
Granuler, 20°C, BMP 2
300
200
The Absolut Company, 20 °C,
BMP 1
100
0
0
10
20
30
40
50
60
Tid (dagar)
Figur 5.16 Resultaten från BMP-försöken med The Absolut Companys avloppsvatten som
substrat.
För The Absolut Company ser de tre metanpotentialkurvorna i figur 5.16, BMP-försök 1 med
icke anpassad ymp vid 20 °C, BMP-försök 2 med granuler samt BMP-försök 2 med anpassad
ymp, relativt lika ut. Då granulerna användes gick metanproduktionen som fortast och nådde
även högst slutvärde. Detta skulle kunna förklaras av att granulerna hämtades på Carlsbergs
reningsverk (VIVAB) där avloppsvattnet från Carlsberg Sverige rötas. Det är troligt att
avloppsvattnet från ett destilleri som The Absolut Company har liknande karaktär som
avloppsvattnet från ölbryggeriet Carlsberg Sverige, vilket i så fall skulle gynna
mikroorganismerna. Värt att nämna är att för rötning med granulerna användes avloppsvatten
från två olika omgångar; en flaska med nytt vatten och två flaskor med vatten som varit fryst.
Det vatten som varit fryst uppvisade högre metanproduktion vilket kan förklaras med att
frysning förbehandlar vattnet och därmed underlättar hydrolysen som är det
hastighetsbestämande steget.
55
Metanproduktion (Nl/kg VS)
1200
1000
800
Kolhydrater, Anpassad ymp,
20 °C, BMP 2
600
Kolhydrater, Granuler, 20 °C,
BMP 2
400
Kolhydrater, 20 °C, BMP 1
200
Kolhydrater, 37 °C, BMP 1
0
0
10
20
30
40
50
60
Tid (dagar)
Figur 5.17 Resultaten från BMP-försöken med kolhydrat som substrat.
Figur 5.17 visar resultaten från de två BMP-försöken med kolhydrater som substrat. Något
som är gemensamt för alla kurvor är att de uppvisar en lagfas i början av försöken innan
metanproduktionen kommer igång. Den längsta lagfasen, cirka 7 dagar, har kurvan med den
icke anpassade ympen har rötats vid 20 °C i BMP-försök 1. Det märks tydligt att
nedbrytningen av kolhydrater och metanproduktionen är snabbast vid 37 °C. Vad gäller BMPförsök 2 med den anpassade ympen samt granul-ympen har de båda
metanproduktionskurvorna väldigt liknande form.
Metanproduktion (Nl/kg VS)
1200
1000
800
Protein, Anpassad ymp, 20
°C, BMP 2
600
Protein, Granuler, 20 °C,
BMP 2
400
Protein, 20 °C, BMP 1
200
Protein, 37 °C, BMP 1
0
0
10
20
30
40
50
60
Tid (dagar)
Figur 5.18 Resultaten från BMP-försöken med protein som substrat.
En intressant slutsats som kan dras utifrån figur 5.18 är att kurvorna för proteinet som rötades
vid 37 °C och proteinet som rötades med granul-ympen är väldigt lika, medan kurvorna för
proteinet som rötades med den icke-anpasssade ympen respektive den anpassade ympen har
ett liknande utseende. Detta tyder på att anpassningen i detta fall inte gav någon förbättring.
Proteinet vid 37 °C har eventuellt avslutats för tidigt då kurvan efter en platå vid 330 NL/kg
VS fortsatte att öka. Det hade, om mer tid funnits, varit intressant att se vid vilken
metanproduktion den slutligen skulle ha stannat av.
56
Metanproduktion (Nl/kg VS)
1200
1000
800
Fett, Anpassad ymp, 20 °C,
BMP 2
600
Fett, Granuler, 20 °C, BMP 2
400
Fett, 20 °C, BMP 1
200
Fett, 37 °C, BMP 1
0
0
10
20
30
40
50
60
Tid (dagar)
Figur 5.19 Resultaten från BMP-försöken med fett som substrat.
Kurvorna för metanproduktionen med fett som substrat varierar stort i utseende vilket kan ses
i figur 5.19. Alla kurvorna har dock gemensamt (förutom med granulerna) att formen på
BMP-kurvorna är sigmoidal. Som nämndes tidigare är detta ej helt ovanligt vad gäller fettrika
substrat. Enligt Davidsson et al. (2008) kan detta bero på att mikroorganismerna till en början
hämmas av den höga koncentrationen, men att de sedan återhämtar sig och når en hög
metanpotential (Davidsson et al., 2008).
Fettet som rötades vid 37 °C nådde sitt maxvärde klart snabbast. Granulerna visade sig vara
oförmögna att hantera denna typ av mjölkbaserat material, vilket kan ses både här i figur 5.19
och i figur 5.15. Perle et al. (1995) konstaterade att det finns en risk att de långa fettsyrorna
från mjölkfett kan ha en inhiberande effekt på metanogenesen vilket skulle kunna förklara
kurvornas utseende (Perle et al., 1995). Att den ymp som är anpassad till en 20-gradig
temperatur har långsammare metanproduktion än den icke-anpassade ympen är förvånande.
En möjlig förklaring är att detta skulle kunna bero på att mer enzymer, som används för att
bryta ned det organiska materialet i hydrolysen, utsöndras då ympen avgasas vid 37 °C innan
BMP-försök 1 än då ympen står i 20 °C.
Ytterligare en observation som görs utifrån figur 5.19 är att metanproduktionskurvan för
rötning av fett med den anpassade ympen i BMP 2 har mycket hög standardavvikelse. I övriga
fall med hög standardavvikelse berodde det framförallt på att en av kurvorna avvek från de
övriga och denna kurva valdes då bort enligt 20 % kriteriet. I detta fall var det dock stor
variation mellan alla tre kurvor i triplikatet, se Appendix 6 C, och därför kunde ingen kurva
bortses från.
57
Utrötningsgrad (%)
5.4.3 Utrötningsgrad
Utrötningsgraden är ett sätt att beskriva hur stor andel av det organiska materialet i substratet
som har omsatts till biogas av mikroorganismerna under en viss tid. Utrötningsgraden för alla
substrat under de olika BMP-försöken kan ses i figur 5.20.
80
70
60
50
40
30
20
10
0
BMP 1, 37 °C
BMP 1, 20 °C
BMP 2, Anpassad ymp, 20 °C
BMP 2, Granuler, 20 °C
Figur 5.20 Utrötningsgrad för de olika substraten efter BMP-försök 1 och 2.
Utrötningsgraden kan teoretiskt bli 100 % i en satsvis process, men det skulle krävas mycket
långa rötningstider för att uppnå praktiskt. De utrötningsgrader som redovisas i figur 5.20 är
baserade på olika lång tid mellan 30 och 50 dagar. Det går att se i figur 5.20 att granulerna
gav högst utrötningsgrad för rötning av referenssubstraten. Då detta jämförs med BMPkurvorna för referenssubstraten tycks det orimligt att fettet har så pass hög utrötningsgrad då
granulerna användes eftersom mycket lite metan producerats. En möjlig förklaring till detta
skulle kunna vara att granulerna har använt substratet till något annat än metanproduktion,
exempelvis produktion av koldioxid.
The Absolut Company uppvisar enligt figur 5.20 sämst utrötningsgrad över lag med värden på
mellan 16 och 27 % vilket tyder på att substratet eventuellt är svårt för mikroorganismerna att
bryta ned. Flaskorna med The Absolut Companys avloppsvatten som substrat var de flaskor
som hade lägst VS-konstentration från start, vilket gör felkällan i mätningarna större.
5.4.4 Teoretiska jämfört med experimentellt uppmätta värden på biogasproduktionen
För att kunna utvärdera och jämföra de experimentellt uppmätta värdena för biogaspotentialen
kommer beräkningar av den teoretiska biogaspotentialen göras. Ur Kleerebezem & van
Loosdrecht-metoden fås bland annat det organsiska materialets sammansättning och med
hjälp av detta kan den teoretiska biogaspotentialen för de två avloppsvattnen beräknas med
Buswells ekvation beskriven i sektion 4.4.1. För referenssubstraten i form av fett, kolhydrater
och protein kommer de teoretiska metanpotentialerna från tabell 3.2 att användas för
jämförelsen. Resultaten för de teoretiska metanpotentialerna, de experimentellt uppmätta
metanpotentialerna samt procentandelen av den uppnådda metanpotentialen ur den teoretiska
visas i tabell 5.13.
58
Tabell 5.13 Den teoretiska metanproduktionen jämfört med de experimentellt uppmätta
värdena.
Substrat
Teoretisk
metanpotential
(Nl CH4/kg VS)
Skånemejerier
570A
The Absolut
Company
1005A
Fett
1014
Protein
496
Kolhydrater
415
A
B
Ymp
Experimentellt
uppmätt
metanpotential
(Nl CH4/kg VS)
20 °C
Anpassad
Granuler
20 °C
Anpassad
Granuler
20 °C
37 °C
Anpassad
Granuler
20 °C
37 °C
Anpassad
Granuler
20 °C
37 °C
Anpassad
Granuler
662
614
167
400
358
435
861
1002
752B
200
294
410
249
341
342
397
339
341
Uppnådd
metanpotential (%
av
teoretiska)
116
108
29
40
36
43
85
100
75
20
59
83
50
69
82
96
82
82
Utrötnings
grad (%)
33
49
46
27
17
21
38
44
54
56
36
29
51
54
38
44
45
71
Beräknat enligt molmassan från Kleerbezem & van Loosdrecht-metoden.
Metanproduktionen hade inte ännu stannat av då detta värde avlästes.
För Skånemejeriers avloppsvatten observeras det, enligt resultaten i tabell 5.13, att värden på
metanproduktionen är klart över det teoretiska värdet beräknat enligt Buswells ekvation med
substratets sammansättning enligt Kleerebezem & van Loosdrecht-metoden. Detta ger en
tydlig indikation på att resultaten utifrån Kleerebezem & van Loosdrecht- metoden inte är
tillförlitliga. Det är även noterbart att då granulerna används för rötning av avloppsvattnet från
Skånemejerier uppnås bara 29 % av det ”teoretiska” värdet.
För The Absolut Companys avloppsvatten kan det utläsas ur tabell 5.13 att de experimentellt
uppmätta värdena är långt ifrån de teoretiskt beräknade enligt Buswells ekvation. Detta skulle
kunna bero på att de beräknade värdena utifrån Kleerebezem & van Loosdrecht-metoden inte
är korrekta, vilket misstänks med avseende på resultaten i tabell 5.9. En annan möjlig
förklaring är att det förekommer kvävebrist i systemet då COD:N:P-kvoterna beräknade i
tabell 5.4 tydde på att den risken finns. Då två tredjedelar av VS-halten (det organiska
materialet) kom från ympen vid uppstarten av BMP-försöken borde ej risken med kvävebrist
bidra till att tillväxten av mikroorganismerna blir begränsande då det finns ett överskott av
mikroorganismer.
Precis som kan ses i BMP-kurvan för fett (figur 5.19) är granulerna klart sämst vad gäller
rötning av fett, medan de andra ymperna når en hög andel av det teoretiska värdet. Värdet i
tabell 5.13 för den anpassade ympen är inte helt representativt då BMP-kurvan vid
avslutningen visade på fortsatt ökning.
59
Proteinerna når den högsta andelen av det teoretiska värdet vid rötning vid 37 °C. Sämst
metanpotential uppvisade den anpassade ympen, men om försöket hade fått pågå längre är det
möjligt att den hade ökat något ytterligare.
För kolhydraterna är alla ymper som rötades vid 20 °C likvärdiga, men det högsta värdet på
metanproduktionen uppnåddes då rötningen skedde vid 37 °C. Det är rimligt då
metanpotentialen utifrån ett visst substrat bör vara samma oavsett förhållanden om
mikroorganismerna ej är inhiberade och rötningen får fortsätta tills metanproduktionen
stannat av.
Eftersom det på flera olika ställen i resultatdelen visat sig att Kleerebezem & van Loosdrechtmetoden inte är en tillförlitlig metod har även den uppnådda metanpotentialen för
avloppsvattnen räknas om till Nl CH4/kg COD och jämföras med den teoretiska
metanpotentialen på 350 Nl CH4/kg COD. Dessa resultat visas i tabell 5.14.
Tabell 5.14 Den uppnådda metanpotentialen för avloppsvattnen omräknat till Nl CH4/kg
COD jämfört med den teoretiska metanpotentialen.
Substrat
Teoretisk
metanpotential
(Nl CH4/kg COD)
Skånemejerier
350
The Absolut
Company
350
Ymp
20 °C
Anpassad
Granuler
20 °C
Anpassad
Granuler
Experimentellt
uppmätt
metanpotential
(Nl CH4/kg COD)
425
395
107
171
153
186
Uppnådd
metanpotential (%
av teoretiska)
122
113
31
49
44
53
Resultaten i tabell 5.14 ger något högre uppnådd metanpotential både för Skånemejerier och
The Absolut Company än resultaten i tabell 5.13. Skillnaden mellan resultaten är dock inte
särskilt stor, endast 3-10 procentenheter. Detta tyder på att substratsammansättningen
(CxHyO zNvu) bestämd utifrån Kleerebezem & van Loosdrecht- metoden är en bra
approximation och att felet med karaktäriseringsmetoden uppstår då andelarna av fett, protein
och kolhydrater beräknas.
I tabell 5.15 visas en sammanfattning av resultaten för Skånemejerier och The Absolut
Company från figur 5.20, tabell 5.13 och tabell 5.14.
60
Tabell 5.15 Sammanfattning av resultaten för uppnådd metanpotential samt utrötningsgrader
för Skånemejerier och The Absolut Companys Avloppsvatten.
Substrat
Skånemejerier
The Absolut
Company
Ymp
20 °C
Anpassad
Granuler
20 °C
Anpassad
Granuler
Uppnådd
metanpotentialA (%
av teoretiska)
116
108
29
40
36
43
Uppnådd
metanpotentialB (%
av teoretiska)
122
113
31
49
44
53
Utrötningsgrad
(%)
33
49
46
27
17
21
A
Från teoretiska metanpotentialer beräknade enligt molmassan från Kleerbezem & van
Loosdrecht-metoden.
B
Från teoretiska metanpotentialen på 350 Nl CH4 /kg COD.
Oavsett metod för att ta fram den teoretiska metanpotentialen visar tabell 5.15 att BMPförsöken med Skånemejeriers avloppsvatten som substrat uppnår över 100 % av
metanpotentialen förutom när granulerna används som ymp. Detta är orimligt och beror
sannolikt på felmätningar både med avseende på BMP-försöken samt de uppmätta CODkoncentrationerna. Från resultaten för Skånemejerier är det även värt att notera att
utrötningsgraderna är väldigt låga jämfört med de höga värdena på uppnådd metanpotential av
den teoretiska. Resultaten för den uppnådda metanpotentialen när granulerna används som
ymp ger låga värden samtidigt som utrötningsgraden är i samma storleksordning som för de
andra ymperna. Detta skulle kunna bero på att andra ämnen som till exempel koldioxid bildas
vid nedbrytningen av organiskt material istället för metan. Resultaten för The Absolut
Companys uppnådda metanpotentialer anses vara mer rimliga.
Metanpotential enligt karaktäriseringens beräknade andelar
Genom att bestämma andelarna kolhydrater, protein och fett kan avloppsvattnens
biogasutbyte undersökas utifrån litteraturvärden på metanutbytet för respektive andel enligt
ekvation 44, uträkningarna och resultaten visas i Appendix 6 C samt figur 5.21. Då andelarna
från resultaten enligt Kleerebezem & van Loosdrecht-metoden ansågs orimliga utfördes
beräkningarna med resultaten från Lowry och Anthrone-metoden.
(44)
61
1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
Uppnått metanutbyte
Kolhydrater
The Absolut Company
Protein
Experimentellt
Lowry &
Anthrone
Experimentellt
Lowry &
Anthrone
Fett
Skånemejerier
Figur 5.21 Uträknade värden på totala metanpotentialen utifrån andelarna av fett, protein
och kolhydrater enligt Lowry och Anthrone-metoden samt det maximalt uppnådda
experimentella metanutbytet.
För både Skånemejeriers och The Absolut Companys avloppsvatten blir de uträknade värdena
för metanpotentialen enligt Lowry och Anthrone-metoden och metanpotentialen för fett,
kolhydrater och proteiner högre än de värden som har mätts experimentellt. Detta är rimligt då
100 % av det teoretiska värdet är mycket svårt att uppnå då satsvisa utrötningsförsök körs.
Skillnaden för The Absolut Company är större än för Skånemejerier, vilket var väntat då
resultaten från Lowry och Antrhone-metoden tycktes orimliga för The Absolut Company med
avseende på fettinnehållet.
5.5 Resultat för hydrolyskonstanten
För att avgöra hydrolyshastigheten, som anses vara det hastighetsbestämmande steget vid
rötning vid låga temperaturer, beräknades hydrolyskonstanten. Den ekvation som användes
var framtagen av Angelidaki et al. (2009). Vid valet om ekvationen av Angelidaki et al.
(2009) eller ekvationen av Koch & Drewers (2014) skulle stå till grund för bestämningen av
hydrolyskonstanten utgick denna studie från determinationskoefficienten (R 2).
Determinationskoefficienten anger hur väl modellen passar till datapunkterna och har ett
värde mellan noll och ett, där noll anger att funktionen inte passar till datapunkterna medan ett
anger att funktionen passar väl till datapunkterna. I 70 % av fallen fick resultaten då
ekvationen av Angelidaki et al. (2009) användes högst determinationskoefficient för de
bestämda hydrolyskonstanterna. Generellt blev värdet på determinationskoefficienten 19 %
högre då ekvationen av Angelidaki et al. (2009) användes jämfört med då ekvationen av Koch
& Drewers (2014) användes.
Hydrolyskonstanterna för de olika BMP-försöken kan ses i figur 5.22 samt i Appendix 6 D.
62
0,14
Kh (d-1)
0,12
0,1
BMP 1, 37 °C
0,08
BMP 1, 20 °C
0,06
BMP 2, Anpassad ymp, 20 °C
0,04
BMP 2, Granuler, 20 °C
0,02
0
Figur 5.22 De uträknade hydrolyskonstanterna från ekvationen framtagen av Angelidaki et al.
(2009) för de olika BMP-försöken.
I figur 5.22 kan det observeras att för både protein och kolhydrater får BMP-försök 1 utfört
vid 37 °C högst hydrolyskonstant vilket stämmer väl överens med vad som förväntades, dels
utifrån BMP-kurvorna över metanpotentialen och dels enligt litteraturen där det framgår att
högre temperatur ger högre hydrolyskonstant (Donoso-Bravo et al., 2009).
För fett, Skånemejerier och The Absolut Company är det BMP-försök 2 med granuler som ger
högst hydrolyskonstant, vilket endast vore att förvänta för The Absolut Company utifrån deras
BMP-kurvor över metanpotentialen. Både för fett och för Skånemejerier når BMP-försök 2
med granuler absolut lägst slutlig metanpotential. Att hydrolyskonstanten skulle vara högst
för BMP-försök 2 med granuler för dessa substrat ger en indikation på att det inte är
tillförlitligt att använda hydrolyskonstanten för att avgöra hur bra ett fettrikt substrat är för
biogasproduktion. En trolig anledning till att BMP-försök 2 med granuler får högst
hydrolyskonstant för fett och Skånemejerier kan vara att metoden som används fungerar som
en cyklisk process, där värdet på summan av det relativa felet för anpassningen minimeras
genom iteration. Då summan av det relativa felet används, får mätpunkter som ligger i det
låga intervallet större betydelse än mätpunkter som ligger i det höga intervallet då
mätpunkterna i det låga intervallet har ett större relativt fel. Detta skulle i och för sig inte
behöva vara något negativt, eftersom det beskrivits tidigare att det krävs normal tillväxt av
mikroorganismerna (att de inte saknar tillgång på viktiga näringsämnen) för att kunna anta
första ordningens kinetik, något som endast gäller i början av rötningsprocessen. Därav skulle
det eventuellt behöva utvärderas om fler punkter än de som redan tagits bort enligt 5 %kriteriet borde tagits bort. I tidigare studier, exempelvis Koch & Drewes (2014) används dock
ett 1 %-kriterie (Koch & Drewes, 2014) istället för ett 5%-kriterie vilket visar på att metoden
vald i denna studie är rimlig då manuell mätning av metanproduktionen ger en större
mätosäkerhet.
Om BMP-kurvan för fett studeras med avseende på bara de tre första punkterna så ser BMPförsök 2 med granuler ut att gå lika bra som BMP-försök 1 gjort vid 37 °C. Då det även tas
63
hänsyn till att BMP-försök 1 gjort vid 37 °C får en sigmoidal form på kurvan medan BMPförsök 2 med granuler får den klassiska metanpotential-kurvans form kan slutsatsen dras att
metoden för att bestämma hydrolyskonstanten inte är anpassad till sigmoidala kurvor och
därmed inte lämpar sig särskilt bra för fett.
Om BMP-kurvan för Skånemejerier studeras med avseende på bara de tre första punkterna,
utan lag-fas, så ser BMP-försök 2 med granuler ut att gå mycket sämre än BMP-försök 1 gjort
vid 20 °C. Det bedöms därför orimligt att de båda försöken når ett så pass likt värde på
hydrolyskonstanten som kan ses i figur 5.22. Något som bör nämnas är att den totala
metanproduktionen, B∞, för BMP-försök 1 gjort vid 20 °C når ett värde runt 540 Nl CH4/kg
VS medan BMP-försök 2 med granuler endast når ett värde på B ∞ på 160 Nl CH4/kg VS. Det
är alltså mycket stor skillnad på den totala metanpotentialen för samma substrat även då
hydrolyskonstanten är relativt lik. Hydrolyskonstanten ger värdet på hur fort substratet bryts
ner och i samband med antagandet att hydrolysen är det begränsande steget ger
hydrolyskonstanten ett mått på hur fort omvandlingen till biogas sker. Denna studie har visat
att detta inte säger så mycket om hur lämpligt ett substrat är för biogasproduktion om inte den
totala metanproduktionen tas i beaktande, då hydrolyskonstanten för till exempel fett och
Skånemejerier i BMP-försök 2 med granuler får högst hydrolyskonstant men en väldigt låg
metanproduktion. Som nämnts tidigare syftar metoden av Angelidaki et al. (2009) i större del
till att bestämma den totala metanpotentialen än hydrolyskonstanten, något som också verkar
stämma bättre överens med BMP-kurvorna där BMP-försök 2 med granuler når 167 Nl
CH4/kg VS jämfört med det uppskattade 160 Nl CH4 /kg VS och BMP-försök 1 gjort vid 20
°C når 661 Nl CH4/kg VS jämfört med 540 Nl CH 4/kg VS.
I tabell 5.16 jämförs hydrolyskonstanterna för protein, kolhydrater och fett med relevanta
litteraturvärden. För protein når de högsta värdena på hydrolyskonstanten uppmätta i den här
studien nästan dubbelt så höga värden som litteraturvärdena i tabell 5.16. Dock bör det
nämnas att litteraturstudien i detta fall var väldigt begränsad. De höga hydrolyskonstanterna
skulle kunna bero på fel i metoden eller så kan ymperna som använts i denna studie ha varit
väl anpassade för att bryta ner protein. För fett och kolhydrater ligger alla värdena på
hydrolyskonstanten uppmätta i studien inom intervallet från litteraturvärdena.
Tabell 5.16 Litteraturvärden samt beräknade värden för hydrolyskonstanten för de olika
substraten.
Substrat
Protein
Fett
Kolhydrater
kh (d-1) [Gavala et al., 2003]
0,015-0,075
0,005-1,7
0,025-0,2
kh (d-1) [experimentellt]
0,073-0,13
0,043-0,10
0,075-0,13
Med andelarna kolhydrater, protein och fett från karaktäriseringen kan avloppsvattnens
uträknade hydrolyskonstant jämföras med hydrolyskonstanterna för referenssubstraten vid de
olika BMP-förhållandena genom en uträkning enligt ekvation 45. Då karaktäriseringen enligt
Kleerebezem & van Loosdrecht-metoden gav orimliga värden på andelarna valdes Lowry och
64
Anthrone resultaten till dessa uträkningar. Resultaten visas i figur 5.23 för Skånemejerier och
i figur 5.24 för The Absolut Company.
0,14
0,12
0,1
0,08
0,06
0,04
0,02
0
Skånemejerier
BMP 1,
37 °C
BMP 1, 20 °C
Experimentellt
uppmätt
Lowry &
Anthrone
Experimentellt
uppmätt
Lowry &
Anthrone
Experimentellt
uppmätt
Lowry &
Anthrone
Kolhydrater
Lowry &
Anthrone
kh (d-1)
(45)
Fett
Protein
BMP 2, Anpassad BMP 2, Granuler
ympymp
20 °C
20 °C
Figur 5.23 Skånemejeriers hydrolyskonstant och hydrolyskonstanterna uträknade utifrån
andelarna enligt Lowry och Anthrone-metoden och referenssubstraten för de olika BMPförsöken.
Figur 5.23 visar att de experimentellt uppmätta värdena på hydrolyskonstanten är högre än de
uträknade enligt Lowry och Anthrone andelarna och referenssubstratens hydrolyskonstanter.
Detta är speciellt tydligt för BMP försök 1 vid 20 °C och för den anpassade ympen i BMP 2.
De experimentellt uppmätta värdena på hydrolyskonstanterna anses vara mest rimliga i
jämförelse med de uträknade hydrolyskonstanterna enligt ekvation 45. Dels eftersom
andelarna enligt Lowry och Anthrone-metoden ej är särskilt tillförlitliga och dels eftersom
anpassningen för att bestämma hydrolyskonstanterna utifrån fettkurvorna fungerade mycket
dåligt.
65
0,14
0,12
kh (d-1)
0,1
0,08
The Absolut Company
0,06
Kolhydrater
0,04
0,02
Fett
BMP
1, °C
BMP 1, BMP
1, 20
20°C
37 °C
BMP 2,
Anpassad ymp
20°C
Experimentellt
uppmätt
Lowry &
Anthrone
Experimentellt
uppmätt
Lowry &
Anthrone
Experimentellt
uppmätt
Lowry &
Anthrone
Lowry &
Anthrone
0
Protein
BMP 2,
Granuler
20°C
Figur 5.24 The Absolut Companys hydrolyskonstant och hydrolyskonstanterna uträknade
utifrån andelarna enligt Lowry och Antrhone och referenssubstraten för de olika BMPförsöken.
Figur 5.24 ger liknande indikationer som figur 5.23 där de experimentellt uppmätta
hydrolyskonstanterna för avloppsvattnet är högre än då referenssubstratens
hydrolyskonstanter multipliceras med respektive andel. Precis som nämndes ovan tycks de
experimentellt uppmätta hydrolyskonstanterna mer rimliga då färre möjliga felkällor är
involverade i dess bestämning.
En felkälla som gäller både för Skånemejerier och The Absolut Companys resultat från figur
5.23 och 5.24 är att skillnaden mellan det experimentellt uppmätta värdet och värdet
framräknat från andelarna skulle kunna bero på att referenssubstraten använda i denna studie
inte var representativa. Exempelvis stämmer antagligen inte referenssubstratet för fett,
vispgrädden, bra överrens med den typ av fett som förekommer i The Absolut Companys
avloppsvatten, där fettet är vegetabiliskt. För Skånemejeriers avloppsvatten är grädden
troligtvis ett bra referenssubstrat, vilket bekräftas då samma typ av inhibering uppstår vid
rötning med granuler, vilket kan ses då deras BMP-kurvor jämförs (figur 5.15 för
Skånemejerier respektive 5.19 för fett). Referenssubstratet för protein var gelatinpulver, vilket
använts tidigare i litteraturen (Sanders, 2001) och härstammar från en animalisk källa. Enligt
Perle et al. (1995) kan mikroorganismerna få problem med att bryta ner kaseinmicellerna från
mjölk (Perle et al., 1995) vilket kan indikera att gelatinpulvret inte var det mest representativa
referenssubstratet för Skånemejeriers avloppsvatten. Det kan kostateras att det är svårt att
välja ett referenssubstrat som kan representera beståndsdelarna för avloppsvatten med
ursprung från både animaliska och vegetabiliska källor.
En annan möjlig orsak till skillnaderna mellan de experimentellt uppmätta värdena på
hydrolyskonstanten och de uträknade hydrolyskonstanterna enligt referenssubstraten och
andelarna från Lowry och Anthrone-metoden är att avloppsvattnet från Skånemejerier och
The Absolut Company eventuellt är mer hydrolyserat vid start av BMP-försök än
referenssubstraten. Detta skulle kunna innebära att hydrolyskonstanten ger ett osäkert resultat
66
på hur fort metanproduktionen sker i och med antagandet vid beräkningen att all metan som
bildas kommer från material som först har hydrolyserats.
För att sammanfatta ger beräkningarna av hydrolyskonstanten blandade indikationer angående
hur bra metoden funkar. Det var tänkt att använda hydrolyskonstanten från de olika BMPförsöken för att utvärdera biogasproduktion med avseende på skillnaderna mellan olika
driftstemperaturer, ymper och substrat. För att utvärdera hur bra anpassningen av ympen till
20-gradig temperatur har lyckats studeras figur 5.22. I figur 5.22 kan det ses att den anpassade
ympen i BMP-försök 2 har fått en högre hydrolyskonstant än den icke anpassade ympen vid
20 °C i BMP-försök 1 för alla substrat förutom Skånemejeriers avloppsvatten. Detta tyder på
att anpassningen har gjort ympen bättre på att röta substrat vid 20 °C. För att avgöra huruvida
ett substrat är lämpligt för biogasproduktion anses metoden bristfällig då den inte tar hänsyn
till den totala metanproduktionen.
5.6 Lönsamhetsberäkningar angående etablering av rötningsprocesser vid
Skånemejerier och The Absolut Company
Den årliga kostnaden för uppvärmning från avloppsvattnets utgående medeltemperatur till
37 °C, där priset per kWh uppskattas till 1,3 kr (Energi & Klimatrådgivningen, n.d.) visas i
tabell 5.17.
Tabell 5.17 Årliga kostnaden för uppvärmning från avloppsvattnets utgående
medeltemperatur till 37 °C.
Substrat
Skånemejerier
The
Absolut
Company
T1
Medel
temp.
(°C)
28,3
T2
Mesofilt
emp.
(°C)
37
m
Massflöde
(ton/år)
Q
Energi
(KJ/år)
Energi
(kWh/år)
Pris
(kr/kWh)
Total
kostnad
(mkr/år)
394 900
1,44*1010
3 990 000
1,3
5,19
31,9
37
173 700
3,70*109
1 030 000
1,3
1,34
Utifrån tabell 5.17 ses att kostnaden för uppvärmning är mer än 5 miljoner kronor per år för
Skånemejerier och runt 1,5 miljoner kronor per år för The Absolut Company. Detta talar för
att driva biogasprocessen på 20 °C istället för 37 °C. Även en process vid 37 °C kan vara
lönsam om mängden energi som biogasprocessen genererar är större än mängden energi det
krävs att värma upp avloppsvattnet. Om så är fallet kan processen självförsörja
uppvärmningen och ändå generera energi som kan användas till värmning på andra ställen i
industrin. För att ta redan på hur mycket energi som kan fås ur rötningen så utförs två
beräkningar med utgångspunkt i att 1 m3 metan genererar 9,67 kWh (Biogasportalen, 2011).
I den första uträkningen beräknades metanproduktionen med hjälp av ett medelvärde på
COD-koncentrationen bestämd från företagens egna data samt med hjälp av litteraturvärdet på
den teoretiska biogasproduktionen som är 0,35 (l CH 4 /g COD) oavsett substrat, se tabell 5.18.
67
Tabell 5.18 Genererad mängd energi från de olika substraten per år, beräknat utifrån data
från företagen på COD och den teoretiska biogasproduktionen som är 0,35 (l CH 4/g COD)
oavsett substrat.
Substrat
Volym-flöde
(m3/år)
Metanprod.
(Nm3 CH4 /år)
Energi
(kWh/år)
394 900
Koncentration
COD
(kg/m3)
2,20
Skånemejerier
304 500
2 945 000
The Absolut
Company
173 700
1,13
68 650
663 800
I tabell 5.18 ses det att mängden energi som teoretiskt maximalt kan genereras av allt
avloppsvatten under ett helt år är mindre än mängden energi det krävs att värma
avloppsvattnet till 37 °C, detta gäller för båda avloppsvattnen. Det har även beskrivits tidigare
av Khanal (2008) att tunna avloppsvatten inte kan producera tillräckligt med gas för att täcka
uppvärmningen (Khanal, 2008). Resultatet ifrån tabell 5.18 visar tydligt att en biogasprocess
driven vid 37 °C inte skulle vara lönsam för varken Skånemejerier eller The Absolut
Company om inte ytterligare processteg så som förtjockning eller värmeväxling inkluderas.
I den andra beräkningen togs metanproduktionen fram med hjälp av VS-koncentrationen hos
substraten samt med hjälp av de uppmätta värdena på metanproduktionen från BMP-försöken,
se tabell 5.19.
Tabell 5.19 Genererad mängd energi från de olika substraten per år, beräknat utifrån
experimentella värden från BMP-försöken på metanproduktionen.
Substrat
Volymflöde
(m3/år)
Konc. VS
(g/l)
Metanprod.
(Nm3 CH4 /år)
Energi
(kWh/år)
1,399
Uppnådd
biogasprod.
(Nl CH4/g VS)
0,662
Skånemejerier
394 900
365 700
3 535 000
The Absolut
Company
173 700
0,4841
0,427
35 900
347 100
Tabell 5.19 visar ett ungefärligt tal på hur mycket energi en biogasprocess skulle kunna ge
företagen under ett år vid 20 °C. För Skånemejerier är värdet på hur mycket energi som kan
fås ut enligt experimentella data högre än då det teoretiska värdet användes. Detta tyder på att
Skånemejeriers avloppsvatten har god potential för rötning. För The Absolut Company är
värdet på energin något lägre än det teoretiskt beräknade. Detta är rimligt då det teoretiska
värdet är den maximala mängden biogas som skulle kunna erhållas från substratet, vilket är
mycket svårt att uppnå rent praktiskt. Värt att notera är att resultaten i tabell 5.18 är baserade
på COD-koncentrationen i avloppsvattnet över hela året vilket ger ett representativt värde på
massflödet av organiskt material med medräknade variationer över året. Resultaten i tabell
5.19 baseras på VS koncentrationer och metanproduktioner experimentellt uppmätta i denna
studie. Fördelen med resultaten från tabell 5.19 är att eftersom de är grundade på
experimentella värden ger de en fingervisning om vilka resultat som är möjliga att uppnå till
68
skillnad från resultaten i tabell 5.18 som är grundade på den teoretiska biogasproduktionen på
0,35 (l CH4/g COD). Dock är de experimentella resultaten från ett begränsat och satsvist
försök vilket inte heller ger helt representativa värden på en framtida kontinuerlig
biogasprocess. Där av är resultaten ifrån tabell 5.18 bättre att utgå ifrån för uppskattning av
möjligt energiutbyte än resultatet ifrån 5.19.
En sammanfattning av resultaten i tabell 5.17-5.19 visas i figur 5.25.
4500
4000
3500
MWh/år
3000
Energi till uppvärming
2500
Teoretiskt möjlig
energiprodution
2000
1500
Möjlig energiproduktion,
experimentellt
1000
500
0
Skånemejerier
The Absolut
Company
Figur 5.25 Hur mycket energi som skulle krävas till uppvärmning av avloppsvattnet, den
teoretiskt möjliga energiutvinningen från substratet samt den möjliga energiutvinningen
enligt experimentella data.
Utifrån resonemanget att den teoretiskt möjliga energiproduktionen ger ett mer representativt
värde, kommer nu detta värde att jämföras med de båda industriernas respektive energi
förbrukning. Skånemejerier når en teoretiskt möjlig energiproduktion på 2 945 000 kWh/år
och förbrukar årligen totalt 37 150 000 kWh. Den teoretiskt möjliga energiproduktionen
framräknad i denna studie motsvarar 7,9 % av den totala energiförbrukningen. The Absolut
Companys teoretiskt möjliga energiproduktion är 663 800 kWh/år och förbrukar årligen totalt
52 000 000 kWh. Den teoretiskt möjliga energiproduktionen motsvarar 1,3 % av den totala
energiförbrukningen.
Resultaten på hur mycket energi som kan fås ut ur biogasproduktion jämfört med den årliga
energiförbrukningen skiljer sig mellan de båda företagen. För Skånemejerier skulle en
effektiv biogasprocess innebära att företaget skulle kunna generera en betydande mängd
energi och på så sätt kunna spara pengar. För The Absolut Company är dock andelen på hur
mycket energi som skulle kunna sparas låg. Detta tyder på att företaget har en väl optimerad
process med lite spill i avloppsvattnet. Ur energiåtervinningssynpunkt skulle en potentiell
biogasprocess inte bidra nämnvärt till att minska den totala energiförbrukningen hos The
Absolut Company. En eventuell biogasanläggning bör därför motiveras av andra faktorer,
exempelvis att bidra till ett framtida hållbart samhälle med minskade utsläpp av växthusgaser
69
och organiskt material i avloppsvattnet. För båda företagen bör även kostnaden för att driva
och bygga en eventuell rötningsprocess samt payback-tiden utredas vidare.
Uppehållstiden framtagen från satsvisa försök kan inte direkt översättas till den uppehållstid
som skulle gälla vid kontinuerliga försök. Med detta i åtanke har ändå en uppskattning gjorts
utifrån BMP-försöken gjorda i denna studie. I tabell 5.20 visas uppehållstiden för en viss
metanproduktion vid 37 °C samt uppehållstiden som krävs för att komma upp i samma
metanproduktion vid 20 °C för kolhydrater, fett och protein. I tabell 5.20 visas även den
kortaste uppehållstiden vid en viss metanproduktion för Skånemejerier och The Absolut
Company vid 20 °C. Dessa uppehållstider är uppskattade för att kunna dra slutsatser om
vilken storlek på reaktorn som krävs vid de olika temperaturerna.
Tabell 5.20 Uppehållstiden för de olika substraten vid 20°C och 37 °C.
Substrat
Kolhydrater
(~300 Nl CH4/kg VS)
Fett
(~800 Nl CH4/kg VS)
Protein
(~330 Nl CH4/kg VS)
Skånemejerier
(~520 Nl CH4/kg VS)
The Absolut Company
(~370 Nl CH4/kg VS)
Uppehållstid vid 20 °C [d]
21
Uppehållstid vid 37 °C [d]
9
40
15
11
11
13
-
10
-
För kolhydrater är uppehållstiden 2,3 gånger längre vid 20 °C och för fett 2,7 gånger längre
vid 20 °C än vid 37 °C medan uppehållstiden för protein är lika lång vid 37 °C som vid 20 °C.
Avloppsvattnen från Skånemejerier och The Absolut Company innehåller en blandning av
kolhydrater, fett och protein. Då andelarna framtagna från karaktäriseringsmetoderna inte
bedöms vara tillförlitliga kommer tyvärr inte en jämförelse med hjälp av andelarna och deras
olika uppehållstider mot de uppmätta värdena för Skånemejeriers- och The Absolut
Companys avloppsvatten att tillföra något till diskussionen om hur långa uppehållstider som
krävs vid 20 °C jämfört med 37 °C. Däremot kan det utläsas i tabell 5.18 att Skånemejeriersoch The Absolut Companys avloppsvatten troligen innehåller mest proteiner då deras
uppehållstid bäst stämmer överens med proteinernas uppehållstid vid 20 °C. En annan slutsats
som kan dras är att mikroorganismerna troligtvis bättre gillar ett substrat med en kombination
av kolhydrater, fett och protein då uppehållstiden för att nå en högre metanproduktion är lägre
för Skånemejeriers- och The Absolut Companys avloppsvatten än för kolhydrater, fett och
protein var för sig. Både Skånemejeriers och The Absolut Companys processer involverar
mikroorganismer så eventuellt är avloppsvattnen redan till viss del hydrolyserade då BMPförsöken startas. Detta kan bidra till att kortare uppehållstid krävs för att röta dessa vatten än
för att röta referenssubstraten. Ytterligare en observation är att det är viktigt att kontrollera
hur mycket fett substratet som ska användas i biogasanläggningen innehåller, då fett är det
substrat som kräver längst uppehållstid både vid 20 °C och vid 37 °C.
70
Hur stor volymsskillnaden på rötkammaren skulle bli vid 20 °C jämfört med vid 37 °C
beräknas utifrån resultaten för uppehållstid från de satsvisa försöken genomförda i denna
studie. Uppehållstiden är proportionell mot volymen vilket betyder att volymen på reaktorn
behöver bli 2,7 gånger större vid 20 °C än vid 37 °C om substratet till största del består av
fett. Detta är mycket oroande eftersom utrustning är dyr och utrymme är värdefullt hos en
industri. Troligtvis är skillnaden på reaktorvolymen som krävs vid 20 °C respektive 37 °C inte
lika stor hos Skånemejeriers och The Absolut Companys avloppsvatten då dessa substrat
förutom fett även innehåller kolhydrater och proteiner.
71
72
6 Slutsatser
Utifrån resultaten erhållna i denna studie dras slutsatsen att det skulle vara möjligt att driva en
biogasprocess med avloppsvatten från Skånemejerier och The Absolut Company som substrat
även om vissa aspekter bör undersökas vidare. Det har även visat sig genom
lönsamhetsberäkningar att energiåtervinning är möjlig ifall rötningen sker vid 20 °C istället
för 37 °C. Framförallt skulle Skånemejeriers avloppsvatten kunna generera en betydande
mängd energi vid jämförelse med den årliga energiförbrukningen. För The Absolut Company
är andelen på hur mycket energi som skulle kunna sparas låg. En eventuell biogasanläggning
bör därför även motiveras av andra faktorer.
Karaktäriseringsmetoderna visade sig inte fungera särskilt bra på den typen av substrat med
tunna vatten som användes i denna studie. Men om en av metoderna skall användas i
framtiden rekommenderas Lowry och Anthrone-metoden framför Kleerebezem & van
Loosdrecht-metoden då resultaten utifrån Kleerebezem & van Loosdrecht-metoden blev
orimliga med avseende på andelarna av fett och kolhydrater.
Även om själva anpassningen av ympen gick bra gav BMP-resultaten och
hydrolyskonstanterna för rötning med den anpassade ympen blandade resultat. Utifrån detta
dras slutsatsen att anpassning genom att låta ympen acklimatisera sig till 20 °C under fyra
veckor innan rötningen ej är nödvändigt.
Hydrolyskonstanten fungerar bra för att ge en indikation på hur snabbt ett substrat bryts ned.
Vid vissa betingelser exempelvis då BMP-kurvorna ej har det klassiska logaritmiska
utseendet, som i de sigmoidala BMP-kurvorna för fett, fungerar dock metoden dåligt. Det
faktum att hydrolyskonstanten bara ger hur snabbt substratet hydrolyseras och inte hur mycket
metan som bildas gör att den inte kan anses vara den bästa parametern att titta på för att
avgöra hur bra ett substrat är för biogasproduktion.
73
74
7 Rekommendationer till företagen
I detta avsnitt följer en rekommendation till de två medverkande företagen.
7.1 Rekommendation till Skånemejerier
Genom analys av företagets data observerades det bland annat att:
- Flödet är relativt konstant, vilket är viktigt för att uppnå hög organisk belastning och
vid dimensionering av en potentiell biogasprocess.
- COD-koncentrationen är hög men varierar kraftigt vilket skulle kunna vara
problematiskt.
- pH-värdet varierar mellan 2,6 och 11,0 med ett medianvärde på 6,8. Variationerna är
stora, men kommer inte nödvändigtvis påverka processens pH då inflödet av vatten är
mycket mindre än rötkammarens volym.
- Temperaturen är runt 28 ± 2,7 °C. Detta är något högre än den rötningstemperatur som
undersöktes i denna studie vilket innebär att en högre temperatur bör undersökas.
- Koncentrationen av näringsämnena varierar stort, men håller sig över tumregel-nivån
för COD:N:P och C/N-kvoten.
Tillsammans med de experimentella försöken för metanpotential, anses Skånemejeriers
avloppsvatten vara lämpligt att använda till en biogasprocess. Även om det är svårt att dra
några meningsfulla slutsatser utifrån de båda karaktäriseringsmetoderna, kan det konstateras
genom BMP-försöken att vattnet har hög metanpotential; runt 600 NL/ kg VS.
Utrötningsgraden blir som högst 49 %, något som indikerar att substratet är lättillgängligt för
mikroorganismerna.
Utifrån lönsamhetsberäkningarna framgick det att den teoretiskt möjliga energiproduktionen
från Skånemejeriers avloppsvatten motsvarar 7,9 % av företagets totala energiförbrukning.
Företaget skulle alltså kunna minska sin energiförbrukning nämnvärt om en effektiv
biogasprocess startades upp. Det bör dock undersökas hur mycket det skulle kosta att bygga
och driva en storskalig biogasprocess och hur lång exempelvis payback-tiden blir, innan ett
beslut tas om huruvida etablering av biogasprocessen är aktuellt.
Till en framtida biogasprocess rekommenderar vi, baserat på BMP-kurvornas utseende,
hydrolyskonstanten och lönsamhetsberäkningarna att rötningen drivs vid en temperatur lägre
är 37 °C med ymp från Sjölunda reningsverk eller en liknande anläggning. Denna typ av ymp
rekommenderas eftersom granulerna uppvisade stora problem vid rötning av Skånemejeriers
avloppsvatten och anpassningen av ympen gav ingen större förbättring. Utifrån de data som
erhållits är det svårt att säga något om hur pH-värdet på avloppsvattnet påverkar pH-värdet i
biogasprocessen eftersom inflödet är mycket mindre än reaktorns volym. Eventuellt bör en
bufferttank installeras för att undvika att inflödet har för högt eller för lågt pH. Ytterligare
undersökningar bör dock göras där beräkningar av hur mycket värme som avgår från vattnet i
en eventuell bufferttank skulle kunna genomföras för att se vilken temperatur vattnet in i
biogasprocessen faktiskt skulle ha. Rötningen vid denna temperatur bör då undersökas.
Resultaten utifrån BMP-kurvorna och hydrolyskonstanterna för referenssubstraten, indikerar
att metanproduktionen går snabbare vid högre temperaturer. En framtida biogasprocess bör
75
därav drivas vid en temperatur som är så hög som möjligt utan att vattnet behöver värmas då
lönsamhetsberäkningen visade att det inte gick att få ut mer energi ur biogasen än vad som
skulle krävas för uppvärmning till 37 °C då ingen förtjockning eller värmeväxling av vattnet
inkluderas.
Förutom att ytterligare undersöka temperaturen bör även kontinuerliga försök på
pilotanläggning genomföras innan projekteringen av biogasanläggningen startar, för att bättre
undersöka pH, uppehållstid, omrörning, organisk belastning och metanpotential vid
kontinuerligt försök. För att en framtida biogasanläggning ska kunna bli effektiv
rekommenderas en kontinuerlig process där det inte finns risk för att mikroorganismerna
spolas ut, till exempel ett system med immobiliserade mikroorganismer (attached growth
system) eller en anaerob membranbioreaktor.
7.2 Rekommendation till The Absolut Company
För The Absolut Companys avloppsvatten gjordes följande observationer utifrån företagets
data:
- Flödet är konstant förutom några större dippar i anslutning till ned- och upptrappning
av produktionen i samband med sommaruppehåll.
- COD-koncentrationen är relativt låg med hög standardavvikelse. De låga CODkoncentrationerna resulterar i låg metanproduktion.
- pH-medelvärdet på ca 9 sjunker efter ett par dagars väntan till ca 7,5. Det
inkommande pH-värdet på avloppsvattnet har dock inte nödvändigtvis stor inverkan
på processens pH.
- Temperaturen är ca 32 ± 4,6 °C. Detta är något högre än den rötningstemperatur som
undersöktes i denna studie, men lägre än optimal temperatur för mesofil rötning.
- Koncentrationen av näringsämnen varierar stort; det finns enligt tumregeln på 250:5:1,
för COD:N:P, risk för kvävebrist vid etablering av en rötningsprocess.
Från dessa observationer tillsammans med resultaten från BMP-försöken, dras slutsatsen att
The Absolut Companys avloppsvatten går att använda som substrat till en biogasprocess. De
experimentella värdena uppvisade en metanproduktion på runt 400 NL/kg VS. Resultaten från
karaktäriseringarna gav däremot orimliga värden på 190 % fett eller 75 % fett vilka båda är
orimliga då råvaran för att tillverka Absolut Vodka är vete. The Absolut Companys
avloppsvatten har låg VS-koncentration vilket innebär att metanproduktionen inte kommer
kunna bli särskilt hög vid drivandet av en biogasprocess. Dessutom var utrötningsgraden låg,
vilket indikerar att substratet ej var lätt för mikroorganismerna att bryta ned.
Metanproduktionen blir relativt låg och kan endast generera 1,3 % av den totala
energiförbrukningen. Därför bör det undersökas hur mycket det skulle kosta att bygga och
driva en storskalig biogasprocess och hur lång exempelvis payback-tiden blir, innan ett beslut
om huruvida det är lönsamt tas. Att bygga en egen biogasprocess skulle innebära att The
Absolut Company slipper riskera att överskrida gränsvärden på vad avloppsvattnet får
innehålla och då måste betala till reningsverk för att få vattnet renat. Samtidigt ger det en
möjlighet att generera en mindre mängd energi som kan användas inom företaget.
76
Om en framtida biogasanläggning ska byggas rekommenderas att granulerna från BMPförsök 2 används som ymp. Denna ymp gav högst metanproduktion samt hydrolyskonstant.
För att låta pH sjunka till det lägre medelvärdet på 7,5 innan det pumpas vidare till processen
skulle en bufferttank kunna installeras där vattnet kan hållas kvar ett tag. Det bör dock
nämnas att det pH som avloppsvattnet har när det kommer in i biogasprocessen inte
nödvändigtvis motsvarar det pH som biogasprocessen håller och behöver inte ha så stor
påverkan. Ytterligare utredningar krävs för att avgöra huruvida en bufferttank är nödvändig.
Vattnet bör även rötas vid en temperatur som är lägre än 37 °C då det visade sig i
lönsamhetsberäkningarna att det skulle kosta mer energi att värma upp vattnet till 37 °C än
vad som går att få ut genom att röta det. Rötningens temperatur bör undersökas då tidigare
forskning samt resultaten i denna studie, utifrån BMP-kurvorna och hydrolyskonstanterna för
referenssubstraten, indikerar att metanproduktionen går snabbare vid högre temperaturer. En
framtida biogasprocess bör därför drivas vid en temperatur som är så hög som möjligt utan att
vattnet behöver värmas.
Förutom att ytterligare undersöka temperaturen bör även kontinuerliga försök på
pilotanläggning genomföras för att bättre undersöka pH, uppehållstid, omrörning, organisk
belastning och metanpotential. För att uppnå en effektiv biogasproduktion rekommenderas en
kontinuerlig process där det inte finns risk för att mikroorganismerna spolas ut, till exempel
ett system med immobiliserade mikroorganismer eller en anaerob membranbioreaktor. Då
VS-koncentrationen i avloppsvattnet var låg skulle även undersökningar om huruvida
förtjockning av avloppsvattnet är ett möjligt alternativ för att höja VS-koncentrationen kunna
undersökas. En alternativ metod för att höja VS-halten skulle kunna vara att blanda in drank i
avloppsvattnet. Detta bör då vägas mot den nuvarande inkomsten vid försäljning av dranken
som djurfoder. Dock bör det nämnas att dranken kan innehålla höga halter av protein vilket
kan leta till ansamling av ammoniak i rötkammaren.
77
78
8 Framtida studier
Till framtida studier bör karaktäriseringsmetoderna ses över då det i denna studie visade sig
att:
- Lowry och Anthrone-metoden ger protein och kolhydrater direkt, vilket är bra. Även
att protein och kolhydrater bestäms oberoende från varandra är positivt. Däremot bör
en ytterligare metod för att bestämma fettkoncentrationen inkluderas för att undvika
att fetthalten blir för hög på grund av att den antas vara resten av det organiska
materialet (VS).
- Kleerebezem & van Loosdrecht-metoden gav mycket orimliga värden på andelarna.
Resultaten utifrån Dr Lange analyserna anses vara tillförlitliga, detta gör att
rekommendationen blir att undersöka hur väl 5-punktstitreringen och
datorprogrammet enligt Moosbrugger et al. (1992) bestämmer karbonat- och VFA
alkaliniteten. Ett förslag är att förutom 5-punktstitreringen genomföra en 2punktstitrering för att jämföra de båda resultaten. Det hade också varit intressant att
genomföra en känslighetsanalys av metoden där värdena på parametrarna ökades
stegvis för att se hur resultaten förändrades.
Ett möjligt sätt att verifiera resultatet på andelarna från Lowry och Anthrone-metoden och
Kleerebezem & van Loosdrecht-metoden är att genomföra försök på referenssubstrat med
redan kända andelar av fett, kolhydrater och protein.
Till framtida studier rekommenderas inte, utifrån BMP-försöken och de uträknade
hydrolyskonstanterna, att en ymp anpassas till den lägre temperaturen innan rötning vid 20
°C.
Till framtida studier som ska röta industriellt avloppsvatten rekommenderar vi att det
genomförs en grundlig karaktärisering (med en metod som fungerar väl) för att få reda på vad
substratet innehåller och att det därefter väljs en ymp som är lämplig till detta substrat.
Exempelvis noterades det i denna studie att granulerna var bra till kolhydratreferensen men
inte till referenssubstratet med fett.
I framtida studier behövs även en vedertagen metod för att bestämma hydrolyskonstanten i
satsvisa försök utvecklas vidare för att standardisera vilken metod som bör användas;
Angelidaki et al. (2009) eller Koch & Drewers (2014). Denna studie visade även att metoden
för bestämmandet av hydrolyskonstanten endast fungerar bra då BMP-kurvorna har det
klassiska logaritmiska utseendet, för exempelvis de sigmoidala BMP-kurvorna för fett,
fungerar metoden mycket dåligt och bör bli mer omfattande. Den metod, med det relativa
felet, som använts i denna studie för att bestämma hydrolyskonstanten resulterar i att de första
punkterna får mycket stor betydelse, därav skulle vi rekommendera att gasproduktionen i
framtida försök mäts varje dag den första veckan för att få ett mer tillförlitligt utseende på
kurvan.
79
Det saknas data i litteraturen angående den typ av tunna avloppsvattnen som har undersökts i
den här studien. Mer forskning behövs för att i framtiden bättre kunna utvärdera potentiell
energiåtervinning hos företag inom livsmedelsbranschen.
80
9 Referenser
Abbasi, T., Tauseef, S. M., & Abbasi, S. A. (2012). Biogas Energy. Springer.
Ammary, B. Y. (2004). Nutrients requirements in biological industrial wastewater treatment.
African Journal of Biotechnology, 3(4), 236–238.
Angelidaki, I., Alves, M., Bolzonella, D., Borzacconi, L., Campos, J. L., Guwy, A. J.,
Kalyuzhnyi, S., van Lier, J. B. (2009). Defining the biomethane potential (BMP) of solid
organic wastes and energy crops: a proposed protocol for batch assays. Water Science
and Technology : A Journal of the International Association on Water Pollution
Research, 59(5), 927–34. doi:10.2166/wst.2009.040
Angelidaki, I., & Sanders, W. (2004). Assessment of the anaerobic biodegradability of
macropollutants. Reviews in Environmental Science and Bio/Technology, 3(2), 117–129.
doi:10.1007/s11157-004-2502-3
Bandara, W., Kindaichi, T., Satoh, H., Sasakawa, M., Nakahara, Y., Takahashi, M., & Okabe,
S. (2012). Anaerobic treatment of municipal wastewater at ambient temperature:
Analysis of archaeal community structure and recovery of dissolved methane. Water
Research, 46(17), 5756–64. doi:10.1016/j.watres.2012.07.061
Biogasportalen. (2011). Biogasportalen. Retrieved May 07, 2014, from
http://www.biogasportalen.se/FranRavaraTillAnvandning/VadArBiogas/Energiinnehall
Bitton, G. (2011). Wastewater Microbiology (Fourth edi., pp. 409–436). Gainesville, FL:
Wiley-Blackwell.
Brown, A. M. (2001). A step-by-step guide to non-linear regression analysis of experimental
data using a Microsoft Excel spreadsheet. Computer Methods and Programs in
Biomedicine, 65(3), 191–200. Retrieved from
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/11339981
Buswell, E. G., & Neave, S. L. (1930). Laboratory studies of sludge digestion. Illinois
Division of State Water Survey, 30.
Carlsson, M., & Schnürer, A. (2011). Rapport U2011:12 Handbok Metanpotential, Afall
Sverige
Chen, Y., Cheng, J. J., & Creamer, K. S. (2008). Inhibition of anaerobic digestion process: a
review. Bioresource Technology, 99(10), 4044–64. doi:10.1016/j.biortech.2007.01.057
Davidsson, Å., Lövstedt, C., la Cour Jansen, J., Gruvberger, C., & Aspegren, H. (2008). Codigestion of grease trap sludge and sewage sludge. Waste Management, 28(6), 986–992.
doi:10.1016/j.wasman.2007.03.024
Donoso-Bravo, A., Retamal, C., Carballa, M., Ruiz-Filippi, G., & Chamy, R. (2009).
Influence of temperature on the hydrolysis, acidogenesis and methanogenesis in
mesophilic anaerobic digestion: parameter identification and modeling application.
81
Water Science and Technology : A Journal of the International Association on Water
Pollution Research, 60(1), 9–17. doi:10.2166/wst.2009.316
Energi & Klimatrådgivningen. (n.d.). Energi & Klimatrådgivningen. Retrieved May 07, 2014,
from http://www.energiradgivningen.se/foretag/energipriser
Gavala, H., Angelidaki, I., & Ahring, B. (2003). Kinetics and Modeling of Anaerobic
Digestion Process. Advances in Biochemical Engineering/Biotechnology, 81, 58–93.
Gujer, W., & Zehnder, A. J. B. (1983). Conversion Processes in Anaerobic Digestion. Water
Science & Technology, 15, 127–167.
Hansen, T. L., Schmidt, J. E., Angelidaki, I., Marca, E., Jansen, J. L. C., Mosbaek, H., &
Christensen, T. H. (2004). Method for determination of methane potentials of solid
organic waste. Waste Management (New York, N.Y.), 24(4), 393–400.
doi:10.1016/j.wasman.2003.09.009
Hansson, M. (2014). [Konversation] Diskussion angående pH på The Absolut Companys
avloppsvatten.
Hassan, A. N., & Nelson, B. K. (2012). Invited review: anaerobic fermentation of dairy food
wastewater. Journal of Dairy Science, 95(11), 6188–203. doi:10.3168/jds.2012-5732
Jarvis, Å., & Schnürer, A. (2009). Mikrobiologisk handbok för biogasanläggningar (p.
Svenskt Gastekniskt Center, SGC207).
Jonstrup, M., Murto, M., & Björnsson, L. (2011). Environmental Biotechnology, KBT080 (p.
Course material, Department of Biotechnology, LTH).
Khanal, S. K. (2008). Anaerobic Biotechnology for bioenergy Production: Principles and
applications. Wiley-Blackwell.
Kjerstadius, H. (2014). [Konversation] Diskussion angående driftstopp i anaeroba processer.
Kleerebezem, R., & van Loosdrecht, M. C. M. (2006). Waste characterization for
implementation in ADM1. Water Science & Technology, 54(4), 167.
doi:10.2166/wst.2006.538
Koch, K., & Drewes, J. E. (2014). Alternative approach to estimate the hydrolysis rate
constant of particulate material from batch data. Applied Energy, 120, 11–15.
doi:10.1016/j.apenergy.2014.01.050
Lantz, M. (2013). Biogas in Sweden: Opportunities and challenges from a systems
perspective. Lunds University Faculty of Engineering.
Moletta, R. (2005). Winery and distillery wastewater treatment by anaerobic digestion. Water
Science and Technology, 51(1), 137–144. Retrieved from
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/15771109
82
Moosbrugger, R., Wentzel, M., Ekama, G., & Marais, G. (1992). Simple titration procedures
to determine H2CO3 alkalinity and short-chain fatty acids in aqueous solutions
containing known concentrations of ammonium, phosfate and sulphide weak acid/bases.
Cape Town.
Naturvårdsverket. (2009). Naturvårdsverket. Retrieved March 15, 2014, from
http://utslappisiffror.naturvardsverket.se/Om-Utslapp-i-siffror/Naturvardsverket/
Naturvårdsverket. (2010). Naturvårdsverket. Retrieved March 15, 2014, from
http://utslappisiffror.naturvardsverket.se/Amnen/Andra-amnen/Kemisk-syreforbrukningCOD-Cr/
Orhon, D., Gorgon, E., Germirli, F., & Artan, N. (1993). Biological Treatability of Dairy
Wastewaters. Water Research, 27(4), 625–633.
Perle, M., Kimchie, S., & Shelef, G. (1995). Some Biochemichal Aspects of the Anaerobic
Degradation of Dairy Wastewater. Water Research, 29(6), 1549–1554.
Reith, J. H., Wijffels, R. H., & Barten, H. (2003). Bio-hydrogen.
Sanders, W. T. M. (2001). Anaerobic hydrolysis during digestion of complex substrates.
Wageningen Universieit.
Sigge, G. O., Gie, L.-M., & Britz, T. J. (2008). Improving the biodegradability of grain
distillery wastewater for use as UASB substrate by combinations of ozonation/enzymatic
pre-treatments. Water Science and Technology : A Journal of the International
Association on Water Pollution Research, 57(4), 547–52. doi:10.2166/wst.2008.050
Smith, A. L., Skerlos, S. J., & Raskin, L. (2013). Psychrophilic anaerobic membrane
bioreactor treatment of domestic wastewater. Water Research, 47(4), 1655–65.
doi:10.1016/j.watres.2012.12.028
Tian, Z., Chauliac, D., & Pullammanappallil, P. (2013). Comparison of non-agitated and
agitated batch, thermophilic anaerobic digestion of sugarbeet tailings. Bioresource
Technology, 129, 411–20. doi:10.1016/j.biortech.2012.11.056
Vahlberg, C., Nordell, E., Wiberg, L., & Schnürer, A. (2013). Rapport U2013:05 Metod för
korrigering av VFA-förlust vid bestämning av torrhalt i biomassa, Afall Sverige.
Van Lier, J. B., Mahmoud, N., & Zeeman, G. (2008). Biological Wastewater Treatment, kap
16. (M. Henze, M. C. M. van Loosdrecht, G. A. Ekama, & D. Brdjanovic, Eds.) (pp.
415–456). London, UK: IWA publishing.
Wiesenburg, D. A., & Guinasso, N. L. (1979). Equilibrium Solubilities of Methane, Carbon
Monoxide, and Hydrogen in Water and Sea Water. Journal of Chemical and Engineering
Data, 24(4), 356–360.
83
84
Appendix 1 - Analysis for Proteins and Humic
compounds (modified Lowry method)
Detta metodprotokoll för Lowrymetoden används vid VA-teknik på Lunds Tekniska
Högskola. Kemikalier och utrustning är specifikt för denna studie.
A. Metodbeskrivning (VA-teknik, LTH)
This method measures proteins and Humic compounds using a modified Lowry method
(Lowry et al., 1951). For proteins the method has been modified by Frølund et al. (1996)
(who in turn modified from Raunkjær et al. 1994). For Humic compounds the method has
been modified by Frølund et al. (1995).
The Lowry method is a colometric method which measures the color development between
the reagent (folin reagent) and proteins or humic compounds. Cu 2+ is reduced to Cu0 while it
forms complexes with peptides (peptides are molecules consisting of amino acids linked
together with peptide-bonds). In an alkaline solution the peptide bonds are hydrolyzed, which
furthers reduces Cu2+, and in turns reduces the Folin reagent. The reduction of the reagent
gives the solution a blue color development which can be measured spectrophotometrically.
The produced color is dependent on what amino acids the proteins were built up of why
different results will be given depending what protein is used as a reference.
Since proteins and humic compounds both gives a color development the method has been
modified to separate between the two. This is done by preparing two versions of each sample,
one that includes Cu-solution (CuSO 4) added and one without Cu-solution. When Cu-solution
is omitted the color development is due to humic compounds and chromogenic amino acids
according to Frølund et al. 1995. Thus the difference can be calculated after measuring the
absorbance for both samples.
Further interesting notes: according to Frølund et al. 1995 the color development for BSA is
decreased to 20% when omitting Cu-solution but no decrease was seen for humic acid
reference. Furthermore the modified Lowry method (when omitting results for Humic
compounds) is supposed to correlate to raw protein determination based on the N-content
according to Frølund et al. (1995).
Chemicals:
-
NaOH
Na2CO3
CuSO4 *5H2O (Copper(II)sulfate pentahydrate)
Na-tartrate (Tartaric acid, Sigma T6521)
Folin-Ciocalteu’s phenol reagent (Order from?)
Reference: Bovine Serum Albumin (BSA) for protein.
Reference: Humic acid (for Humic substances). (Jansen Chemica 12.086.58)
85
Equipment:
- Pipette
- Spectrophotometer
- Cuvettes for spectrometer
Method:
1) Prepare the BSA-reference:
Pre-made BSA-solutions is normally stored in freezer.
Take out or prepare tubes with 1000 mg BSA/L dH 2O. (Assuming that the solution
have a density of 1g/mL we get that 1000mg BSA /L = 1000 ppm)
Mix the frozen BSA with dH2O to get a 100 ppm solution (1 mL BSA at 1000mg/L +
9 mL dH2 O)
Prepare 5 mL each of the following standard solutions:
Standard solution
concentration
(ppm)
0
2.5
5
10
25
50
(100) if needed
Volume of 100 ppm
BSA-solution
needed (µL)
0
250
250
500
1333
2500
(5000)
Volume of dH2O
needed
(µL)
5000
9750
4750
4500
3666
2500
0
Comment
Used as blank!
-
2) Prepare the Humic acid reference:
Humic acid (HumAc) is normally stored in the fridge. Note that each batch of Humic
Acid always have different concentration!
(Assuming that the HumAc has a concentration of 66% and the solution have a density
of 1g/mL we get that 1000mg HumAc /L = 1000 ppm)
Mix the HumAc with dH2O to get a 100 ppm solution (X mL HumAc at 1000mg/L +
X mL dH2O)
Prepare 5 mL each of the following standard solutions:
86
Standard solution
concentration
(ppm)
0
2.5
5
10
25
50
(100) if needed
Volume of 100 ppm
HumAc-solution
needed (µL)
0
250
250
500
1000
2000
(4000)
Volume of dH2O
needed
(µL)
5000
9750
4750
4500
3000
2000
0
Comment
Used as blank!
-
3) Prepare the following solutions:
Solution
name
Solution 1 –
Reagent A
Solution 2 –
Reagent B
Solution 3 –
Reagent C
Cu-solutionReagent D
Non-Cusolution –
Reagent E
Dilute Folinreagent –
Reagent F
Contains
143 mM NaOH (5 720 mg/L)
and
270 mM Na2CO3 (28 617
mg/L)
and
dH2O
57 mM CuSO4 (9 098 mg/L)
and
dH2O
124 mM Na2C4H4O6
(Sodium tartrate) (24 062
mg/L)
and
dH2O
A mix of solutions 1, 2 and
3. Ratio 100:1:1 by volume
for solution 1:2:3.
A mix of solutions 1, 3 and
dH2O. Ratio 100:1:1 by
volume for solution
1:2:dH2O.
Folin reagent with 5:6 ratio
to distilled water
Volume to be prepared
(mL)
1000 mL
(5.72g NaOH
+ 28.571g Na2CO3
+ dH2O to reach 1000
mL)
Can it be
stored?
In fridge for 1
month.
50 mL
(0.7143g CuSO4*5H2O)
+ dH2O to reach 1000
mL)
50 mL
(1.4286g Na-tartrate
+ dH2O to reach 1000
mL)
In fridge for 1
month.
100mL
(enough for 50 samples
incl. standards)
Has to be done
at the day of
the analysis
100mL
(enough for 50 samples
incl. standards)
Has to be done
at the day of
the analysis
11 mL (5mL Folin + 6mL
dH2O)
(enough for 50 samples
incl. standards)
Has to be done
at the day of
the analysis
In fridge for 1
month.
4) The analysis
a. Prepare 4 test tubes for each determination. (2 for analysis with Cu-solution
(D) and 2 for analysis with non-Cu-solution (E).
87
b. Add 500 µL reference/sample (well homogenized) to each test tube (if the
samples have been frozen they need to be homogenized carefully).
c. Add 700 µL of Cu-solution (D) to two of the test tubes. Then add 700 µL of
non-Cu-solution (E)to the two other test tubes. NOTE: Reference solutions
for Humic compounds is prepared only with the non-Cu-solution (E) while
reference solutions for protein demands both.
d. Mix the samples carefully (put the test tube on the mixing machine).
e. Add 100 µL of the “Dilute folin reagent” to the solution and quickly close the
test tube and whirly mix for a very short time (using the mixing machine).
f. Pour the samples in the micro-cuvettes used for spectrophotometry. Let the
samples rest for 45 minutes.
g. Start the spectrophotometer.
Read the absorbance at 750 nm, zero the machine using the blanks (dH 2O
samples).
Read the absorbance for the references and samples (N.B.! Measure in the
same order as the samples were prepared!).
Mark the results from reference/sample with Cu-solution as [sample
name]ABStotal.
Mark the results from reference/sample with non-Cu-solution as [sample
name]ABSblind.
88
Data processing general information:
The following relationships are used in the calculations:
ABStotal = Total absorbance for sample with Cu-solution. Measured.
ABSBlind = Total absorbance for sample with non-Cu-solution. Measured.
ABSHumus = Absorbance from Humic compounds. Calculated.
ABSProtein = Absorbance from protein. Calculated.
ABStotal = ABSProtein + ABSHumus
ABSHumus = ABSBlind - 0.2*ABSProtein (see description, only 20% coloration with non-Cusolution)
Data processing for proteins (in Excel):
1) Plot the references values as a graph using the concentration of the sample (in ppm) on
the y-axis and the ABStotal on the X-axis. Add a line of regression (with a 0,0-intercept
i.e. going through origo).
2) From the equation of the line of regression, calculate the concentration of protein
according to the following:
ABSPROTEIN = 1.25*(ABStotal – ABSBlind)
The answer is in ppm (which equals mg/L due to the assumption stated above).
Data processing for Humic compounds (in Excel):
1) Plot the references values as a graph using the concentration of the sample (in ppm) on
the y-axis and the ABSblind on the X-axis. Add a line of regression (with a 0,0-intercept
i.e. going through origo).
2) From the equation of the line of regression you can calculate the concentration of
humic compounds(ABS HUMUS) according to the following:
ABSHUMUS = ABStotal – ABSPROTEIN
You get the answer in ppm (which equals mg/L due to the assumption stated above).
B. Kemikalier och utrustning
De olika kemikalierna och utrustingen som användes i Lowry metoden.
Kemikalier:
-
NaOH, Merck 1.06462.5000, Sodium hydroxide
Na2CO3 , Merck 1.0632.,1000, Sodium hydrogen carbonate
CuSO4 *5H2O, Merck 1.02791.0250, Copper(II)sulfate anhydrous
Na-tartrat, Merck 1.06664.0100, Sodium tartate dihydrate
Folin-Ciocalteu’s phenol reagent, Sigma-Adrich
89
- Reference: Bovine Serum Albumin (BSA) for protein, ICN Biomedicals
Utrustning:
-
Automat pipett
Spectrophotometer, HITACHI spectrophotometer Model 100-20
Kyvetter till spektrofotometern i plast
Provrör i glas
90
Appendix 2 - Analysis for Carbohydrates
(Anthrone method modified by Raunkjær et al.
(1994))
Detta metodprotokoll för Anthronemetoden används vid VA-teknik på Lunds Tekniska
Högskola. Kemikalier och utrustning är specifikt för denna studie.
A. Metodbeskrivning (VA-teknik, LTH)
This method measures concentration of carbohydrates by measuring poly- and
monosaccharides which is then assumed to compromise the bulk of the carbohydrates present.
The method is originally described by Gaudy (1962) and modified by Raunkjær et al. (1994).
The anthrone method is a colometric method and is based on the hydrolysis and subsequent
reaction of carbohydrates with strong acid and following complex formation with anthrone
(used as a color developing reagent) which gives the solution a green color. The color is
formed when polysaccharides are hydrolyzed by the strong acid to monosaccharides which
are in turn dehydrated to furfural derivatives reacting with anthrone (Raunkjær et al. 1994).
The color intensity of this complex is proportional to the concentration of polysaccharides.
Chemicals:
- Reference: Glucose (we use D(+)-Glucose, VWR 1.08337.0250)
- Concentrated H2 SO4 (˃95% concentration)
- Anthrone (We use 97%, SIGMA: 319899)
Equipment:
- Spectrophotometer
- Cuvettes for spectrometer (plastic)
- Glass Test tubes (heat resistant)
Method:
1) Start Water bath at 100 °C.
2) Prepare or check that you have 2mL tubes with glucose solution in the freezer. They
should be 1000 mg glucose/L dH 2O. (Assuming that the solution have a density of
1g/mL this gives 1000mg glucose/L = 1000 ppm)
Mix the glucose solution with dH2O to get 10 mL of 100 ppm solution (1 mL glucose
at 1000mg/L + 9 mL dH2O) and prepare 5 mL each of the following standard
solutions:
91
Standard solution
concentration
(ppm)
0
2.5
5
10
25
50
(100) if needed
Volume of 100 ppm
glucose-solution
needed (µL)
0
250
250
500
1000
2000
(4000)
Volume of dH2O
needed
(µL)
5000
9750
4750
4500
3000
2000
0
Note: The standard curve is linear to 200 ppm (according to previous lab notes in Aalborg).
3) Prepare the following reagents:
a. Blank sample (Reagent B – 5mL needed per analysis) : 27.5 mL dH 2O is
mixed with 472.5 mL H2 SO4
(can be prepared in advance and kept in fridge)
b. Anthrone mixture (Reagent A – 2mL/sample needed) (must be made the same
day as the measurement):
0,125% (w/v) anthrone to 94,5% (v/v) H 2SO4 + dH 2O
For example: 27.5 mL dH2O is mixed with 472.5 mL H 2SO4 and then 0.625 g
of anthrone is added.
The anthrone must be added while the solution is hot.
4) Prepare triplicates of 1.5ml blanks in test tubes.
Prepare duplicates of 0.5 mL of each reference solution + 1 mL of the above anthronereagent in test tubes.
Prepare duplicates of 1 mL of sample in 2 mL of the above anthrone-reagent.
Use Vortex mixer to mix them.
5) Heat all samples and blanks at 100°C for 14 minutes using water bath.
6) Cool it at 4°C for 5 minutes using iced water. Pour the samples in to
spectrophotometer cuvettes.
7) Start the spectrophotometer. Zero the machine with dH 2O. Read the absorbance of all
references and samples at 625 nm.
Data processing (in Excel):
1) Subtract the average value of the blanks from all measurements.
2) Plot the references values (concentration in ppm on x-axis and absorbance on y-axis)
and add a line of regression (with a 0,0-intercept i.e. going through origo). From the
equation of the line of regression you can calculate the concentration of carbohydrates
in your sample.
92
B. Kemikalier och utrustning
De olika kemikalierna och utrustingen som användes i Anthrone metoden.
Kemikalier:
- Reference lösning: Glucose D(+) Glucose, VWR 1.08337.0250
- Svavelsyra H2SO4 98%, Merck:1.12080.1000
- Anthrone, C14H10O, 97%, SIGMA: 319899
Utrustning:
-
Spektrofotometer, HITACHI spectrophotometer Model 100-20
Kyvetter till spektrofotometern i plast
Provrör i glas med plast lock
Kokplatta med kastrull för kokning
93
94
Appendix 3 – Övriga material och metoder
A. Dr LANGE-tester
De olika HACH LANGE-testerna som används visas i tabell 1.
Tabell 1 De olika HACH LANGE testerna.
Test
COD
TOC
Ntot
Amn-N
NO3-N
NO2-N
Ptot
Sulfat
Intervall (mg/l)
150-1000
2-65
1-16
2-47
0,23-13,5
0,015-0,6
0,5-5
40-150
Matrial nr
LCK 114
LCK 380
LCK 138
LCK 303
LCK 339
LCK 341
LCK 348
LCK 153
B. Substrat till BMP-försök
De olika substraten för fett, protein och kolhydrat som användes till BMP-försöken visas i
tabell 2.
Tabell 2 Märken av de olika referenssubstraten som användes i BMP-försöken.
Substrat
Grädde
Märke
Garant Vispgrädde (40%)
Gelatin
Favorit Gelatinpulver
Celluolosa
50 % Avicel PH-101, Fluka
50 % Cellulose Powder microcrystalline, MP Biomedicals
95
96
Appendix 4 – Uppstart BMP-försök
Hur mycket substrat och ymp som tillsattes beräknades fram med hjälp av ekvation A.1 och
A.2 utifrån att förhållandet mellan VS-halterna på ymp och substrat skulle vara
.
(A.1)
(A.2)
De olika volymerna/massorna som tillsattes till de olika flaskorna av ymp respektive substrat
för BMP-försök 1 och 2 kan ses i tabell 3 och 4.
Tabell 3 De olika volymerna/massorna som tillsattes till de olika flaskorna av ymp respektive
substrat i BMP-försök 1.
Typ av prov
Blank
Fett
Protein
Kolhydrater
Skånevatten
Absolutvatten
V ymp (g)
Volym/massa
substrat (g)
0
6
3
3
778
940
500
494
500
500
222
60
97
Tot volym/massa (g)
500
500
500
500
1000
1000
Tabell 4 De olika volymerna/massorna som tillsattes till de olika flaskorna av ymp, substrat
och vatten i BMP-försök 2.
Typ av prov
Blank Anpassad
Fett Anpassad
Protein Anpassad
Kolhydrater Anpassad
Skånevatten Anpassad
Absolutvatten
Anpassad
Blank Granuler
Fett Granuler
Protein Granuler
Kolhydrater Granuler
Skånevatten Granuler
Absolutvatten
Granuler
V ymp (g)
501
491
500
500
122
63
Volym/massa
substrat (g)
0
9
4
4
878
937
Volym/massa
vatten (g)
0
0
0
0
0
0
Tot
volym/massa (g)
501
500
500
500
1000
1000
135
135
135
135
44
20
0
8
4
3
959
980
365
357
365
165
0
0
500
500
500
500
1003
1000
98
Appendix 5 - Hämtning av prover
Avloppsvattnen som användes vid de olika analyserna hämtades och förvarades enligt tabell
5.
Tabell 5 Typ av prov och hur länge proverna förvarades innan de olika experimenten
genomfördes.
Analys
Lowrymetoden
Anthronemetoden
Kleerebezem & van
Loosdrecht (Dr Lange & 5punkts titrering)
Kleerebezem & van
Loosdrecht
(TOC- analysator 1)
Kleerebezem & van
Loosdrecht
(TOC-analysator 2)
BMP-försök 1
BMP-försök 2
Skånemejerier
Stickprov
Förvarades ett dygn i kylrum 8
°C
DygnsmedelvärdesprovA
Förvarades ett dygn i kylrum 8
°C
Stickprov
Förvarades ett dygn i kylrum 8
°C
DygnsmedelvärdesprovA
Förvarades tre dygn i kylrum 8
°C
DygnsmedelvärdesprovA
Förvarades två dygn i kylskåp 8
°C
DygnsmedelvärdesprovA
Förvarades 0 dygn
DygnsmedelvärdesprovA
Förvarades 0 dygn
A
The Absolut Company
Stickprov
Förvarades ett dygn i kylrum 8
°C
VeckomedelvärdesprovB
Förvarades sex veckor i frys -18
°C
Stickprov
Förvarades ett dygn i kylrum 8
°C
VeckomedelvärdesprovB
Förvarades fyra dygn i kylrum 8
°C
VeckomedelvärdesprovB
Förvarades sex veckor i frys -18
°C
VeckomedelvärdesprovB
Förvarades 0 dygn
VeckomedelvärdesprovB
Förvarades ett dygn i kylrum 8
°C
(VeckomedelvärdesprovB som
förvarades sex veckor i frys -18
°C)
30 ml prov uttaget var 10:de minut.
Proportionellt uttaget mot flödet. Vid ett flöde på 20 m3 /h erhålls 10 l uttaget prov per
vecka.
B
99
100
Appendix 6 - Resultat
A. Resultat från Lowry och Anthrone
Standardkurvan från den modifierade Lorwy metoden visas i figur 1. Ekvationen för den
linjära anpassningen visas i ekvation A.3.
0,25
Absorbans
0,2
0,15
0,1
Lowry, standardkurva
Linjär (Lowry, standardkurva)
0,05
R² = 0,9984
0
0
20
40
60
80
100
120
Koncentration (mg/l)
Figur 1 Standardkurvan enligt Lowry-metoden med linjär anpassning.
(A.3)
Utifrån de uppmätta absorbanserna, tabell 6, beräknas proteinkoncentrationerna.
Tabell 6 De olika provernas spädningsfaktor, absorbans och proteinkoncentration.
Prov
Skånemejerier
The Absolut Company
Spädningsfaktor
5
1
Absorbans
0,19
0,14
Proteinkoncentration (mg/l)
500
71
Standardkurvan för Anthrone metoden visas i figur 2. Till standardkurvan gjordes, förutom de
mätpunkter som visas i figur 2, även en extra mätning på 100 mg D-glukos/l ifall absorbansen
på substraten skulle bli hög. Då ingen av substratens absorbanser låg inom det höga området
användes inte den punkten i standardkurvan.
101
0,4
0,35
Absorbans
0,3
0,25
0,2
Anthrone, standardkurva
0,15
R² = 0,9501
0,1
0,05
0
0
10
20
30
40
50
60
Koncentration (mg/l)
Figur 2 Standardkurvan enligt Anthrone metoden med linjär anpassning.
Det bör nämnas att nollningen av spektrofotometern skedde med blanken utan anthrone
(innehållande destvatten och svavelsyra) istället för med referenskurvans blank med anthrone
(innehållande destvatten, svavelsyra och anthrone). På grund av detta är standardkurvan
antagligen inte helt korrekt.
Ekvationen för den linjära anpassningen till standardkurvan kan ses i ekvation A.4.
(A.4)
Utifrån de uppmätta absorbanserna, tabell 7, beräknas proteinkoncentrationerna.
Tabell 7 De olika provernas spädningsfaktor, absorbans och kolhydratkoncentration.
Prov
The Absolut
Company
Skånemejerier
Spädningsfaktor
1
Absorbans
0,23
Kolhydratkoncentration (mg/l)
32
10
0,090
120
Vilket kan ses i ekvation 2 går den linjära anpassningen till standardkurvan genom origo trots
att första mätpunkten för referenskurvans blank med anthrone ligger på 0,026 på grund av
misstaget med spektrofotometer-nollningen. Detta medför att provernas
kolhydratkoncentration kommer att bli något högre i verkligheten, än de värden som visas i
tabell 7. Detta eftersom lutningen på den linjära anpassningen till standard kurvan skulle bli
lägre.
102
B. Resultat från Kleerebezem & van Loosdrecht-metoden
Dr Lange resultaten visas i tabell 8.
Tabell 8 Resultaten för de olika Dr Lange testen.
Dr Lange metod
The Absolut Company [mg/l]
Skånemejerier[mg/l]
COD
TOC
Ntot
NH4-N
NO3-N
NO2-N
Ptot
Sulfat
813
73,6
12,5
0,113
0,447
0,122
6,16
40,9
2424
75
148
1,6
74,2
0,46
6,79
137
Resultatet i tabell 9 är ett medelvärde från två oberoende mätningar på TOC-analysatorn
Tabell 9 Resultaten för TOC från TOC-analysatorn.
Prov
TOC (mg /l)
The Absolut Company
156,3
Skånemejerier
360,3
Resultaten från 5-punktstitreringen efter användandet av datorprogrammet utformat av
Moosbrugger et al. (1992) visas i tabell 10.
Tabell 10 Resultatet från 5-punktstitreringen; H2CO3 alkalinitet och kortkedjiga fettsyror.
Prov
The Absolut
Company
Skånemejerier
H2CO3 alkalinitet (mg
CaCO3/l)
203,5
Kortkedjiga fettsyror (mg
acetat/l)
120,5
93,5
39,5
103
Från Dr Lange resultaten för Ntot , Amn-N, NO3 -N och NO2 -N kan mängden organiskt kväve
beräknas och resultaten visas i tabell 11.
Tabell 11 Mängden organiskt kväve i de olika substraten.
Resultat för
The Absolut Company [mg/l]
Skånemejerier[mg/l]
Norg
11,8
71,7
104
C. Resultat av BMP-försök
Figur 3-7 visar BMP-kurvorna för varje substrat i triplikata flaskor.
Figur 3 Alla flaskor i varje triplikat för fett vid de olika BMP-försöken.
Figur 4 Alla flaskor i varje triplikat för protein vid de olika BMP-försöken.
105
Figur 5 Alla flaskor i varje triplikat för kolhydrater vid de olika BMP-försöken.
Figur 6 Alla flaskor i varje triplikat för Skånemejerier vid de olika BMP-försöken.
106
Figur 7 Alla flaskor i varje triplikat för The Absolut Company vid de olika BMP-försöken.
Resultat av andelar fett, protein och kolhydrater multiplicerat med litteraturvärden för
metanproduktion jämförs med uppnådd metanpotential i tabell 12.
Tabell 12 De uppnådda metanpotentialerna samt metanpotentialen uträknad utifrån
andelarna av fett, kolhydrater och protein och deras respektive metanpotentialer.
Substrat
Metod
ηpr*
metan
utbyte
(Nl CH4
/kg VS)
ηLIP* metan
utbyte
(Nl CH4 /kg
VS)
ηCHO* metan
utbyte (Nl
CH4 /kg VS)
Total
metanpotential
(Nl CH4
/kg VS )
The
Absolut
Company
Kleerebezem
& van
Loosdrecht
Lowry och
Anthrone
Kleerebezem
& van
Loosdrecht
Lowry och
Anthrone
0,23*496
1,86*1014
-1,37*415
1431
Skånemejerier
Uppnådd
metanpotential
(Nl CH4/kg
VS )
435
0,18*496
0,75*1014
0,078*415
882,2
0,35*496
0,66*1014
-0,041*415
825,8
661
0,30*496
0,62*1014
107
0,074*415
808,2
D. Resultat för hydrolyskonstanten
I tabell 13 visas resultatet för den uträknade hydrolyskonstanten med hjälp av ekvationen
framtagen av Angelidaki et al. (2009).
Tabell 13 Hydrolyskonstanten beräknad med ekvationen framtagen av Angelidaki et al.
(2009).
Substrat
The Absolut Company
Skånevatten
Fett
Protein
Kolhydrater
Ymp
BMP 1, 20 °C
BMP 2, Anpassad
BMP 2, Granuler
BMP 1, 20 °C
BMP 2, Anpassad
BMP 2, Granuler
BMP 1, 20 °C
BMP 1, 37 °C
BMP 2, Anpassad
BMP 2, Granuler
BMP 1, 20 °C
BMP 1, 37 °C
BMP 2, Anpassad
BMP 2, Granuler
BMP 1, 20 °C
BMP 1, 37 °C
BMP 2, Anpassad
BMP 2, Granuler
108
Kh (d-1 )
0,0948
0,108
0,115
0,0915
0,0501
0,0955
0,0425
0,0617
0,0450
0,102
0,0730
0,130
0,0760
0,118
0,0745
0,128
0,0987
0,0876
Evaluation of potential for anaerobic
treatment of industrial wastewater at
ambient temperature
Sofie Andreasson & Nelly Dahl
Water and Environmental Engineering at Department of Chemical Engineering, Lund University,
Sweden
______________________________________________________________________________
Abstract
Usually, an anaerobic digestion process is operated at either mesophilic (35-37 °C) or
thermophilic (50-60 °C) temperatures. Wastewaters from the food industry do not usually have such
high temperatures and to avoid having to heat the large quantities of diluted wastewater, anaerobic
digestion at ambient temperature is an interesting option. New developments in the field, such as the
membrane bioreactor, open up the possibility to carry out digestion at lower temperature. In this study,
wastewaters from two different companies in the food industry; Skånemejerier and The Absolut
Company were investigated with regard to potential energy recovery by digesting their wastewater at
an ambient temperature of 20 °C.
The methane potential tests showed that the wastewaters worked well as substrates, reaching
maximum methane potentials of 662 Nl CH4/kg VS for Skånemejerier and 435 Nl CH4/kg VS for The
Absolut Company. Furthermore, calculations of the hydrolysis constants for the wastewaters gave
values of between 0.050-0.096 d-1 for Skånemejerier and between 0.098-1.1 d-1 for The Absolut
Company.
Keywords: Anaerobic Digestion, Ambient Temperature, Industrial Wastewater, Bio Methane
Potential, Hydrolysis Constant
material were to be digested at these
temperatures very large amounts of energy
would be required to heat the water. On the
other hand, if the digester could be operated at
ambient temperature, the process could, in
theory, be much more profitable since no
heating of the water would be necessary and
energy could be obtained through biogas
production.
Because of strict regulations regarding
levels of nutrients and organic materials in the
wastewaters it could be beneficial for
companies in the food industry to decrease the
concentrations of these compounds through
anaerobic digestion with biogas as a product. If
the digester could be operated at ambient
Introduction
In the 1960s wastewater treatment plants
in Sweden started producing biogas and since
then Sweden has come a long way in the area.
Biogas is the final product of anaerobic
digestion of organic materials and it contains
primarily methane and carbon dioxide. Biogas
is a renewable source of energy that can be
used for production of electricity, heat and fuel
[1].
Traditionally, an anaerobic digestion
process is operated at temperatures around 35
°C (mesophilic area) or 55 °C (thermophilic
area) [2]. If large volumes of industrial
wastewater with low concentrations of organic
1
temperatures the process could in theory be
more profitable since no heating is required.
When digesting at low temperatures,
hydrolysis is often considered the rate limiting
step since the enzyme activity is temperature
dependent and decrease with decreasing
temperature [3].
This study is focused on the possibility of
digesting industrial wastewaters from the food
industry with regard to energy recovery by
operating the digestion process at an ambient
temperature.
originated from the inoculum and 1/3 from the
substrate. Except from the two wastewaters,
reference substrates for fat (cream), protein
(gelatin) and carbohydrates (cellulose) was
used as substrates in the BMP-tests.
Two different inoculums were used for the
BMP-tests; one was a granular sludge from
Carlsbergs biogas plant (VIVAB) which is
operated at 20-27 °C and one inoculum was
from Sjölunda wastewater treatment plant
(WWTP) which is operated at a mesophilic
temperature of 35 °C.
The inoculum from Sjölunda WWTP was
also adapted to an ambient temperature of 20
°C before starting the second round of BMPtests. The adaption was carried out by storing
the inoculum in 20 °C for four weeks while
feeding it two times a week with primary
sludge.
Method
Evaluation of the wastewater
The two wastewaters, from Skånemejerier
and The Absolut Company were evaluated
regarding COD-concentration, volumetric
flow,
pH,
temperature and
nutrient
concentrations (nitrogen and phosphorous)
using data obtained from the companies in
order to see how these parameters varied over
the year.
Hydrolysis constant
For determination of the hydrolysis
constants for the different substrates, the
iterative nonlinear least squares method
described by Brown (2001) [8] was used in
Microsoft Excel together with the equation
described by Angelidaki (2009) [9], see
equation 1.
Characterization
In order to characterize the different
fractions of protein, carbohydrate and lipid in
the substrates two different methods was used:
Lowry and Anthrone (L & A), where the
protein content was analyzed through the
modified Lowry method [4] and the
carbohydrate content was analyzed through the
modified Anthrone method [5]. The lipid
content was then assumed to be the rest of the
organic material in the water. The second
characterization method was the method
described by Kleerebezem & van Loosdrecht
(K & vL) (2006) [6].
(1)
From equation 1 the hydrolysis constant, ,
and the total accumulated methane,
, could
be obtained using the results from the BMPtests assuming first order kinetics and that the
hydrolysis is the rate limiting step at low
temperature.
Theoretical methane potential
In order to evaluate the experimentally
reached methane potential from the BMP tests,
theoretical methane potential is calculated for
Skånemejerier and The Absolut Company. The
theoretical methane potential is calculated
through Buswells equation, see equation 2,
from the molecular formula obtained by K &
vL [10].
Bio Methane Potential test
To experimentally evaluate the suitability
of the substrates, two rounds of Bio Methane
Potential tests (BMP tests) were performed
according to [7]. One difference in this study
from the method described in [7] is that 2/3 of
the total concentration of volatile solids (VS)
2
with nutrient deficiency for a potential
anaerobic digestion process with this
wastewater.
Table 2 shows important parameters for
the wastewater from The Absolut Company.
(2)
Results and Discussion
Evaluation of the wastewaters
Table 2. Average and standard deviations for CODconcentration, flow, pH, temperature and nutrient
concentrations from The Absolut Company.
Table 1 shows important parameters for
the wastewater from Skånemejerier.
Table 1. Average and standard deviations for CODconcentration, flow, pH, temperature and nutrient
concentrations
for
the
wastewater
from
Skånemejerier.
Parameter
Average
Standard
deviation
COD (mg/l)
Flow
(m3/day)
pH
Temp. (°C)
Phosphorus
(mg/l)
Nitrogen
(mg/l)
2200
1080
1000
134
Coefficient
of
variation
(%)
47
12
6.9
28
13
Min: 2.6
2.7
4.8
Max: 11.0
9.4
37
110
40
37
Parameter
Average
Standard
deviation
COD (mg/l)
Flow
(m3/week)
pH
Temp. (°C)
Phosphorus
(mg/l)
Nitrogen
(mg/l)
1100
3340
900
875
Coefficient
of variety
(%)
80
26
9.1
32
13
4.6
6.9
14
52
15
11
76
The data in Table 2 shows that the CODconcentration of The Absolut Companys
wastewater varies much and that it is low
compared to that of Skånemejeriers
wastewater. The combination of a high
volumetric flow and a low COD-concentration
could result in problems with washout of the
microorganisms and a low methane production
in an eventual anaerobic digestion process. The
average pH is 9.1 which is too high for an
anaerobic digestion process which has an
optimum pH of around 7 [2]. However, data
has shown that when the water is stored for a
few days, the pH decreases and after the water
has rested for an average of 3.5 days, the
average pH is instead at 7.5 which is a much
better pH for an anaerobic digestion process.
Furthermore, the high pH of the wastewater
inflow is not automatically a problem since the
volume of the inflow is much smaller than the
volume of the reactor. The temperature of The
Absolut Companys wastewater varies around
32 °C which is approximately 5 °C below the
optimum temperature for a mesophilic process.
In order to avoid heating, an alternative is to
digest the wastewater at an ambient
temperature. The average COD:N:P ratio for
The Absolut Companys wastewater is
The data in Table 1 shows that the CODconcentration is relatively high, but varies a lot
with a high standard deviation. The volumetric
flow on the other hand has a low coefficient of
variety, which is good when designing an
anaerobic digestion process. That the pH varies
between a very low pH of 2.8 and a high pH of
11 could result in problems for an anaerobic
digestion process. However, the pH of the
wastewater does not necessarily have a large
impact on the pH of the biogas process. Also,
the average pH of 6.9 is a reasonable pH for a
biogas process and if a buffer tank where the
pH variations could even out were to be
installed it could solve an eventual problem.
The average temperature is 28 °C which is
between the mesophilic temperature of 35-37
°C and the ambient temperature of 20 °C used
in this study. The average COD:N:P-ratio is
250:13,9:1,5 for Skånemejeriers wastewater
compared to the rule of thumb of 250:5:1 [11].
This means that there will not be a problem
3
250:3,6:3,8. This indicates that there might be
a risk of nitrogen deficiency. However,
previous research by Ammary et al. (2004) has
shown that the process could work well,
without any deficiencies, even if the rule of
thumb is not reached [11].
BMP-tests and hydrolysis constant
The results of the BMP-test including
calculated hydrolysis constants are shown in
Figure 1-5. In Figure 1, it is obvious from the
BMP curves that the methane production was
fastest and reached the highest value when the
non-adapted inoculum from BMP 1 at 20 °C
was used. It also shows that the granules were
a poor inoculum for anaerobic digestion of
Skånemejeriers wastewater. This might be
because the granules are not acclimated to
treating substrates with milk fat or milk
proteins, which makes the hydrolysis of these
materials hard for the bacteria. In this case, the
hydrolysis constants do not really match the
appearance of the BMP-curves. It is very
unlikely that the granules should have the
highest hydrolysis constant out of these three.
Characterization
The results from the characterization of
the wastewaters according to L & A and K &
vL are shown in Table 3.
Table 3. The fractions of protein (ηprot), fat (ηfat),
carbohydrates (ηcho) and volatile fatty acids (ηVFA)
according to both the characterization methods.
Method
K & vL
L& A
K & vL
L& A
ηprot
0.35
0.30
0.23
0.18
ηfat
0.66
0.62
1.9
0.75
ηcho
-0.04
0.07
-1.4
0.08
ηVFA
0.024
0.28
-
Methane production (Nl/kg VS)
Substrate
Skånemejerier
The
Absolut
Company
In Table 3 it is shown that the fraction of
protein is similar for each substrate regardless
of which characterization method was used.
Furthermore the fractions of fat for
Skpnemejerier give similar values for both
methods but for The Absolut Company there is
a big difference. When it comes to
carbohydrates, K & vL gives negative values
for both substrates which is impossible. Also L
& A give very low values on the carbohydrate
fractions.
For Skånemejerier the results are
considered reasonable, it is likely that the
wastewater from a dairy factory contains
mainly fat and proteins, although the fraction
of carbohydrates should probably be somewhat
higher due to for instance lactose.
For The Absolut Company, the results are
highly unlikely, especially according to the K
& vL method. That some of the values
according to the K & vL method is negative
strongly indicates that this method is not in
general successful to determine the content in
dilute wastewater.
800
700
600
500
400
300
200
100
0
0
10
20
30
40
50
60
Time (days)
Hydrolysis
constant (d-1)
BMP 1, 20 °C
BMP 2, adapted
0.0915
0.0501
BMP 2, granules
0.0955
Figure 1. BMP-curves and the hydrolysis constants
for Skånemejeriers wastewater with different
inoculum.
In Figure 2 it can be seen that for The
Absolut Company, the three curves are similar
to each other with regard to total methane
production and shape. The rate of methane
production was highest when using the
granules, which can be seen both in the BMPcurve and on the hydrolysis constant. This
could be explained by the fact that the granules
were collected from a treatment plant used for
treating brewery wastewater, which could
possibly be similar to the wastewater from The
Absolut Company. In the case of The Absolut
Company, the hydrolysis constants well
represent the appearance of the curves.
4
8
18
28
Time (days)
BMP 1, 20 °C
38
BMP 2, adapted
Hydrolysis
constant (d-1)
0.0984
48
Methane production (Nl/kg VS)
Methane production (Nl/kg VS)
digesting the proteins at 37 °C. Furthermore
there were no big difference between using the
adapted and the non-adapted inoculum. This
indicates that the adaption did not improve the
microorganisms ability to hydrolyze proteins.
The hydrolysis constant correlates well to the
observations made in Figure 4.
500
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
-2
BMP 2, granules
0.108
0.115
Figure 2. BMP-curves and the hydrolysis constants
for The Absolut Companys wastewater with
different inoculum.
Methane production (Nl/kg VS)
Figure 3 shows the BMP-curves for
digestion of carbohydrates. All the curves in
this figure show a lag phase before the
methane production starts, but the duration of
the lag phase varies between the different
environments. The longest lag phase appears
when the non-adapted inoculum in BMP 1 was
used at 20 °C and the shortest when the
digestion was operated at 37 °C. For BMP 2,
the results for the adapted inoculum and the
granules show very similar results. For the
carbohydrates, the hydrolysis constants match
the BMP-curves and theory well, with the
digestion at 37 °C having the highest
hydrolysis constant.
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
-50 0
10
20
30
Time (days)
40
50
BMP 1, 37 °C
BMP 2, adapted
BMP 2, granules
Hydrolysis
constant (d-1)
0.0745
0.128
0.0987
0
10
20
30
40
50
60
Time (days)
BMP 1, 20 °C
BMP 2, adapted
Hydrolysis
constant (d-1)
0.0730
BMP 1, 37 °C
BMP 2, granules
0.130
0.0760
0.118
Figure 4. BMP-curves and the hydrolysis constants
for proteins with different inoculum and operating
temperatures.
Figure 5 shows the results of the BMPtests with fat as substrate. The appearances of
these BMP-curves vary a lot. However, all the
curves (except from the granules) have a
similar sigmoidal shape, something that has
been observed before when it comes to
anaerobic digestion of fat, for example by
Davidsson et al. (2008) [12]. According to
Davidsson et al. (2008), the reason the curves
get this shape could be because the
microorganisms is inhibited by the high
concentrations at the start of the digestion
process but later they manage to recover and
are able to reach a high total methane potential.
60
BMP 1, 20 °C
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
0.0876
Figure 3. BMP-curves and the hydrolysis constants
for carbohydrates with different inoculum and
operating temperatures.
The BMP-curves for protein, Figure 4,
shows that digestion of proteins using the
granules at 20 °C was almost as effective as
5
Methane production (Nl/kg VS)
1200
is compared with the methane potential
reached in the BMP tests and for the reference
substrates the methane potential reached in the
BMP tests is compared with literature values
from Angelidaki & Sanders (2004) [13].
It can be seen in Table 4 that the
experimentally reached methane potential for
The Absolut Company is very far from the
theoretical. For Skånemejerier the opposite is
observed with a higher experimentally reached
methane potential than the calculated with a
yield over 100 %. However for Skånemejerier,
the reached methane potential out of the
theoretical methane potential for the granules
is only 29 %, even for fat the granules reach a
significantly lower value.
1000
800
600
400
200
0
0
10
20
30
Time (days)
40
50
60
BMP 1, 20 °C
BMP 1, 37 °C
BMP 2, adapted
BMP 2, granules
Hydrolysis
constant(d-1)
0.0425
0.0617
0.0450
0.10
2
Figure 5. BMP-curves and the hydrolysis constants
for carbohydrates with different inoculum and
operating temperatures.
In Figure 5, just as in Figure 2, it can be
observed that the granules were not very
successful when it came to digesting milk fat.
Furthermore, Figure 5 shows that the nonadapted inoculum in BMP 1 was better than
the adapted inoculum when digesting the fat at
20 °C although they had very similar
hydrolysis constants.
Figure 5 show that using granules gave the
highest hydrolysis constant. This do not
correlate at all with the results from the BMPtests, but when calculating the hydrolysis
constant for the sigmoidal fat curves the
equation did not fit the data at all, see Figure 6.
Table 4. Experimentally reached methane potential
compared with the theoretical methane potentials.
Substrate
TMP*
Skånemejerier
570A
The
Absolut
Company
1005A
Fat
1014
Protein
496
Carbohydrate
415
Methane production (Nl/kg VS)
700
600
500
400
300
200
100
0
0
10
20
30
40
Reached
MP *** (%
of TMP)
662
614
167
400
358
435
861
1002
752B
200
294
410
249
341
342
397
339
341
116
108
29
40
36
43
85
100
75
20
59
83
50
69
82
96
82
82
50
* Theoretical methane potential (Nl CH4/kg VS)
** Experimental methane potential (Nl CH4/kg VS)
*** Methane potential
A
Calculated from the molecular formula based on K & vL.
B
The BMP curve had not yet leveled out when this data were
measured.
Time (days)
Data points
20 °C
Adapted
Granules
20 °C
Adapted
Granules
20 °C
37 °C
Adapted
Granules
20 °C
37 °C
Adapted
Granules
20 °C
37 °C
Adapted
Granules
EMP
**
Model fitting
Figure 6. The model fitting of Angelidaki et al,
(2009) for fat with adapted inoculum and a
temperature of 20 °C.
Conclusion
Theoretical methane potential
From the results obtained during this
work, the conclusion that it would be possible
to operate a biogas process with wastewater
from Skånemejerier or The Absolut Company
In Table 4, the theoretical methane
potential calculated according to Buswell [10]
for Skånemejerier and The Absolut Company
6
as substrate was drawn although some
parameters should be examined further.
The two characterization methods used in
this study, according to either L & A or K &
vL showed not to be very successful for
characterizing dilute wastewaters. When
assessing
the
results
however,
the
characterization according to L & A is more
feasible and if one of the methods were to be
recommended it would be that one.
Results from the comparison between the
theoretical methane potential and the methane
potential reached in the BMP tests indicate that
the molecular formula obtained from K & vL
is a good approximation and that the problem
with K & vL occur when calculating the
fractions of fat, protein and carbohydrate.
The determination of the hydrolysis
constant has shown to give a good indication
of how fast a substrate can be hydrolyzed
under some conditions. However, when the
BMP-curves do not have the right logaritmic
shape, for example the sigmoidal curves for
digestion of fat, the method used in this study
is unreliable. Furthermore, the fact that the
hydrolysis constant only gives a value of how
fast the substrate hydrolyses and do not take
into account how much methane that is
produced makes it an inadequate parameter to
determine whether a substrate is suitable for
anaerobic digestion or not.
The inoculum that was adapted to the
ambient temperature showed varying results.
In some cases the rate of methane production
increased whereas in some cases the results
were the opposite.
Absolut Company, Magnus Persson at VIVAB
and Ylva Eriksson at VA SYD for making
these experiments possible.
References
[1] Lantz M., (2013). Biogas in Sweden –
Opportunities and challenges from a
systems perspective, Lund University,
dissertation.
[2] Jarvis Å., Schnürer A., (2009).
Mikrobiologisk
handbok
för
biogasanläggningar, Rapport SGC 207.
[3] Donoso-Bravo A., Retamal C., Carballa
M., Ruiz-Filippi G., Chamy R., (2009).
Influence of temperature on the hydrolysis,
acidogenesis and methanogenesis in
mesophilic anaerobic digestion: parameter
identification and modeling application,
Water Science & Technology, 60:1.
[4] Frølund, B., Palmgren, R., Keiding, K.,
Nielsen, P.H. (1996). Extraction of
extracellular polymers from activated
sludge using a cation exchange resin.
Water Res 30, pp. 1749–1758
[5] Raunkjaer, K., Hvitved-Jacobsen, T.,
Nielsen P.H., (1994) Measurement of
pools of protein, carbohydrate and lipid in
domestic waste-water. Water Res 28,
pp.251-262.
[6] Kleerebezem R., van Loosdrecht M.,
(2006). Waste characterization
for
implementation in ADM1, Water Science
& Technology 54:4, pp 167-174.
[7] Hansen T. L., Schmidt J. E., Angelidaki
I., Marca E., la Cour Jansen J., Mosbaek
H., Christensen T. H., (2004). Method for
determination of methane potentials of
solid organic waste, Waste Management
24:4, pp 393-400.
[8] Brown A. M., (2001). A step-by-step
guide to non-linear regression analysis of
experimental data using a Microsoft Excel
spreadsheet, Computer Methods and
Programs in Biomedicine 65, pp 191-200.
[9] Angelidaki I., Alves M., Bolzonella D.,
Borzacconi L., Campos J. L., Guwy A. J.,
Kalyuzhnyi S., Jenicek P., van Lier J. B.,
Acknowledgement
This paper is part of a master thesis at
Water and Environmental Engineering at the
Department of Chemical Engineering, Lunds
University. This work could not have been
done without all the help from our supervisors
Hamse Kjerstadius and Jes la Cour Jansen,
thank you. We would also like to thank
Gertrud Persson, Fredrik Javenskjöld at
Skånemejerier, Marcus Hansson at The
7
(2009). Defining the biomethane potential
(BMP) of solid organic wastes and energy
crops: a proposed protocol for batch
assays, Water Science & Technology 59:5,
pp
927-934.
[10] Buswell, E. G., & Neave, S. L.
(1930). Laboratory studies of sludge
digestion. Illinois Division of State Water
Survey,
30.
[11] Ammary B. Y., (2004). Nutrients
requirements in biological industrial
wastewater treatment, African Journal of
Biotechnology
3:4,
pp
236-238.
[12] Davidsson Å., Lövstedt C., la Cour
Jansen J., Gruvberger C., Aspegren H.,
(2008). Co-digestion of grease trap sludge
and sewage sludge, Waste Management
28:6,
pp
986-992.
[13] Angelidaki, I., & Sanders, W. (2004).
Assessment
of
the
anaerobic
biodegradability
of
macropollutants.
Reviews in Environmental Science and
Bio/Technology,
3(2),
117–129.
doi:10.1007/s11157-004-2502-3
8