05/12/2014. Övervakning av processen. Hur vet vi att vi har en optimal process eller risk för problem? Hämning av biogasprocessen

Transkript

1 Specifik metanproduktion L/kg VS // Hur vet vi att vi har en optimal process eller risk för problem? Övervakning av processen Flödesschemat för bildning av biogas. Hydrolys. Fermentation (alkoholer, fettsyror, mjölksyror etc.) Viktigt att ta hänsyn till att Olika organismer med olika närings- och omgivningskrav är aktiva i de olika stegen Stegen sker med olika hastighet. Steg eller är ofta hastighetsbegränsande Vätgas och koldioxid. Anaerob oxidation Ättiksyra Anna Schnürer Inst. för Mikrobiologi, SLU, Uppsala. Metanbildning Metan och koldioxid Biogas Hämning av biogasprocessen Hämning av biogasprocessen. Hydrolys. Hydrolys. Fermentation. Fermentation (alkoholer, fettsyror, mjölksyror etc.). Anaerob oxidation (alkoholer, fettsyror, mjölksyror etc.). Anaerob oxidation Vätgas och koldioxid Ättiksyra Vätgas och koldioxid Ättiksyra. Metanbildning Metan och koldioxid Biogas Mer vätgas och koldioxid, minskad metan produktion, ansamling av syror och ev sänkning av ph ( surjäsning ) Jag har syror in min process, men den verkar ändå vara stabil med jämn gasproduktion. Ska jag vara orolig? Specifik metanproduktion och halt i tre reaktorer över tid med samma substrat Reaktor Reaktor Reaktor Vad kan man utläsa av en ph analys, och vid vilka ph-värden börjar det bli riskabelt? Vad kan man göra om ph-värdet sjunker? Borde jag fler ta phanalyser?... Total g/l dagar dagar dagar Stabil drift vid höga nivåer möjlig innebär dock förlust av metan!

2 Specifik metan produktion [ NmL gvs - ] ] Organisk belastning [ gvs L - day - ] [g L - ] // Ökande halter av över tid = Varning! ackumulering orsakad av ökande kvävehalter 7 8 Dagar Ökande belastning leder här till ackumulering och minskad gasproduktion Organisk belastning [ gvs L - day Dagar NH Specifik metanproduktion Acetat (grön) Propionat (Blå) ph/alkalinitet två faktorer som hänger ihop Alkalinitet = buffertförmåga Beror på karbonatjoner och även ammoniumjoner TA = total alkalinitet BA = bikarbonat alkalinitet Förändras tidigare än ph ändras och följer ofta halt av och ammoniumkväve BA för stabila processer ca - mg HCO /L ph bäst mellan 7-8. NH + HCO - CO - ackumulering orsakad av ökande kvävehalter ph stabilt vid 8 fram till dag sedan snabbt dropp till ph Alkalinitet stigande från - fram till dag sedan snabbt ner till Metanbildning saktar av när ph går ner under 7 och avstannar helt kring ph= NH Acetat (grön) Propionat (Blå) Låg alkalinitet innebär låg tolerans mot syrabildning och risk för ph sänkning /TA kvoten kan användas för att få en indikation på processtabilitet <. stabil process --. viss instabilitet >. tydlig instabilitet Specifik metanproduktion Viktiga parametrar för drift och övervakning Hur vet vi att processen är effektiv/stabil? Slutsats ph= trubbigt verktyg Drift Uppehållstid (HRT) Temperatur Belastning (OLR) Substratets karaktär Övervakning Stabilitet Fettsyror () Alkalinitet (Buffertförmåga) Hämmande ämnen (ammoniak) ph Alkalinitet Gassammansättning Effektivitet Specifik metanproduktion Utrötningsgrad

3 Koldioxid (%) Temperatur ( o C) // Analys av koldioxid ett enkelt och känsligare alternativ till ph - analys Analys av koldioxid ett enkelt och känsligare alternativ till ph - analys Tillfällig koldioxid ökning i samband med en ökning av temperatur skedde samtidigt som en ökning av 8 Dagar OBS självfallet är ger ett mer komplett analyspaket mer information OBS självfallet är ger ett mer komplett analyspaket mer information Sambandet mellan kvävehalt och gasproduktion Finns det något samband mellan en ökning av ammoniumkvävehalten i rötrest och en bra gasproduktion? Vilket samband i så fall? Om man har bra produktion men liten ökning av kvävehalten - vad kan det bero på?. Kväve finns i proteiner. Proteiner är energirika och ger mycket gas med hög metanhalt. Organismerna behöver kväve för att växa (optimal C/N ca -). Nedbrytning av proteiner leder till bildning av ammonium/ammoniak. Ammoniak hämmar metanbildningen SLUTSATS Ökande ammoniumhalter kan leda till högre gasproduktion pga att C/N blir bättre med också pga av att material som genererar ammonium typisk är energirika. Bra produktion utan hög kvävehalt kan ske från t.ex hög andel snabbomsatta icke kväverika material av material, t ex glycerol, stärkelse, sockerbetor Gasutbyten från olika råvaror Rötning av proteinrikt material Substrat Metan (L/g VS) Metan (L/Kg) Gödsel - -8 Spannmål - Halm - - Gräs - 9 Sockerbetor -8-9 Matavfall - - Slakteriavfall ~7-9 Energirikt med låg C/N kvot Gödsel (svin, höns) Slakteriavfall Drank/Drav NH OBS Sammansättningen på biogasen varierar mellan olika substrat. Samma total gasmängd kan vara kan motsvara olika mängd metan Energiinnehållet på vikt kan variera stort Metan CH :CO (L/kg) (%) Kolhydrat 8 : Fetter 7: Protein : Bättre växtnäringsinnehåll i rötresten Hämning av metanogener (> - g NH + -N/L). (eller ca - mg/l NH ) OBS Mikroorganismsamhället kan anpassa sig till högre ammoniumhalter

4 Specifik metanproduktion L/kg VS Ammoniak (%) Free ammonia [g l - ] // Ammoniakhalten är avgörande för graden hämning påverkas av temperatur och ph Temperaturens betydelse för ammoniakhalten,9 8 o C,8,7, 8 o C,, o C,, ph NH + NH + H + Detta innebär att två anläggningar som har samma ammoniumhalt kan ha olika grad av hämning pga av olika processtemperatur och/eller ph 9 7 Temperature [ C] Ett exempel: gnh + -N/L, ph 7. och 7 o C motsvarar 7 mg NH /L gnh + -N/L, ph 8. och 7 o C motsvarar 8 mg NH /L gnh + -N/L, ph 7. och o C motsvarar mg NH /L gnh + -N/L, ph 8. och o C motsvarar 7 mg NH /L 9 7, Är svaveloxiderande bakterier känsliga för ljus? H S påverkar inte bara gaskvaliteten, dvs det räcker inte alltid att ta bort H S med hjälp av svaveloxiderare H S verkar direkt hämmade på mikroorganismer (- mg/l) reagerar med spårmetaller (Co, Ni, Se etc) så att dessa blir otillgängliga för mikroorganismerna försämrad aktivitet Svar: Nej, de bryr sig inte om ljus. Däremot kan andra mikroorganismer växa med hjälp av ljusenergi (cyanobakterier/alger) MeS= metallsulfid S - S - MeS S - HS - H S MeS S - HS - HS - MeS MeS < H S (gas) Swedish University of Agricultural Sciences Specifik metanproduktion högre med tillsats av Fe+spårmetaller Reaktor Reaktor Reaktor (spårmetaller+ Fe från dag ) Spårmetaller +Fe Är metanbildarna känsliga för omrörning? dagar dagar dagar Reduktion av svavelväte i gasen och i vätskan kan leda till minskade nivåer och ökad gasproduktion Total g/l Svar: Ja om den är så kraftig så den bryter mikrobiella aggregat. Omrörning är dock också viktig då den bidrar till ökad kontakt mellan mikroorganismerna och materialet som ska brytas ner. Dålig omrörning kan leda till försämrad effektivitet!

5 Volume CH [Nml gvs - ] Tillväxthastighet // Biogasprocessen en komplicerad näringskedja med mikroorganismer! Hydrolys Surgörning av rötresten direkt när den lämnar rötkammaren /efterrötkammaren skulle medföra en minskad risk för metanläckage vid lagring? Avdödas metanogenerna då eller kan de uppstå igen i gödsellagret? H +CO Fermentation (alkoholer, fettsyror etc) Anaerob oxidation Metanbildning CH +CO Acetat Metanogener och bakterier son utför anaeroba oxidationer är gärna nära varandra i mikrobiella komplex. Dessa går kan gå sönder vid mkt kraftig omrörning Svar: Så länge ph är under i hela materialet finns lite risk för aktivitet av metanogener. Om ph stiger efter en ph sänkning kan de med stor sannolikhet bilda metan igen Bild: Cajsa Lithell Mesofil eller termofil temperatur vid rötning av nötgödsel? eller o C, var bör man ligga om han rötar främst nötgödsel? Påverkas utrötningsgraden vid en förändring av temperatur? Något man bör tänka på annars? Hur väljer vi rötningstemperatur? Två vanliga intervall Temperatur Termofil temperatur Hög metanproduktionshastighet Kortare uppehållstid Högre belastning möjlig Bra avdödning av patogener Mindre stabil process Lägre viskositet Mesofil temperatur Bra stabilitet Lägre energikonsumption Fler olika typer av organismer Bättre nedbrytningsgrad av vissa ämnen Skillnaden i gasproduktion vid olika temperatur kan vara beroende av uppehållstid Mesofil/termofil rötning av kogödsel Ackumulerad metanproduktion 7 % % Mesophilic Thermophilic 7 Time [Days]

6 // Beräkningsexempel En restprodukt från fiskoljeindustrin som finns att köpa är UFF eller Urea-rest. Det innehåller % N i form av Urea, men också % fiskfett. Är det möjligt att använda det som substrat i en gårdsanläggning som mest rötar flytgödsel? Vad det skulle det kunna ge i ökad gasproduktion? Hur mycket kan man tillsätta, innan kvävenivåer blir för höga? Finns det risk att man får en kväveavgång från biogödseln? Antag m reaktor Belastning g VS/Ldag HRT dagar. Hur stor volym tillförs reaktorn varje dag, dvs m /dag (ca kg). Antag % Urea rest, dvs kg O C HN NH Urea CO + NH Många organismer kan bryta ner urea och resultatet blir två ammoniak och en koldioxid. Detta innebär ökad ammoniakhalt men beroende på tillsats kan denna också påverka både ph (ökande) och alkalinitet (ökande). % N, dvs kg. /=,kg/l. Fett %, dvs *,= kg, dvs m metan. Hur stor andel av VS blir fettet? Total kg VS/dag. % urea rest motsvarar kg dvs en ökning till,kgvs/l dag