Increase of Biogas Production at Wastewater Treatment Plants Addition of urban organic waste and pre-treatment of sludge

Abstract

Anaerobic digestion of organic matter results in the production of biogas, which can be used to replace fossil fuels. There is potential for increased biogas production at wastewater treatment plants by digesting urban organic waste either separately or together with the sludge. Biogas production could also be increased by sludge pre-treatment.



The objective of this work was to evaluate the potential for increased biogas production at wastewater treatment plants by: 1) digestion of urban organic waste either separately or together with sludge, and 2) sludge pre-treatment/enhanced hydrolysis by enzyme addition, thermal treatment or ultrasonic treatment.



Source-sorted organic household waste constitutes a large potential for anaerobic digestion. The amount of waste generated is high, and it can be separately digested yielding 300-400 Nm3 CH4/ton VSin. Co-digestion with sludge (20:80 on volatile solids basis) is advantageous since the combination leads to higher methane yield than would be expected from separate digestion of sludge and waste.



Smaller amounts of grease trap sludge and fruit & vegetable waste are generated in the urban area but these types of waste are still interesting for anaerobic digestion, since their organic contents are high (>90%). Digestion experiments showed that the biogas potential of these types of waste is high, and they are best utilised when they are co-digested with sludge. Separate digestion of grease trap sludge could not be achieved in continuous digestion. Fruit & vegetable waste gave a higher methane content and better methane yield when co-digested with sludge than in separate digestion.



Enzyme addition, at different doses, was seen to increase the methane yield from mixed sludge (primary and waste activated sludge) in mesophilic continuous digestion. Different strategies for the addition of enzymes were also studied. Direct feeding of enzymes to the digester results in about the same increase in methane yield as separate enzyme pre-treatment of sludge before digestion.



Pre-treatment of biosludge by ultrasonication or thermal treatment was seen to increase the methane production in batch digestion tests. When the methods were followed by digestion with enzyme addition, additional effects were observed on methane production. Thermal treatment (70ºC for 1 h) was seen to increase the methane yield by 20% in continuous digestion of mixed primary and waste activated sludge.



Thermophilic digestion of sludge resulted in a significantly higher methane yield than mesophilic digestion. Thermophilic digestion of source-sorted household waste showed only a minor increase compared with mesophilic digestion.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Organiskt avfall utgör ett problem men är samtidigt en resurs med dess innehåll av näringsämnen och energi. Ett sätt att ta om hand organiskt avfall är att bryta ned det anaerobt genom s.k. rötning. Det organiska materialet reduceras då samtidigt som biogas produceras.



Biogas består till största delen av metan som är energirikt och kan ersätta fossila bränslen vid produktion av t.ex. el, värme och fordonsbränsle. Eftersom metan är en väldigt stark växthusgas bör den tas om hand för att förhindra spridning till atmosfären. Effekten från metan är tjugo gånger starkare än från koldioxid.



Största mängden biogas produceras idag på reningsverken genom rötning av slam från olika reningssteg. Slammets organiska del bryts ned och det bildas metan och koldioxid. Ett sätt att öka biogasproduktionen på reningsverken är att tillsätta annat organiskt avfall. I detta arbete har speciellt tillsats av urbana organiska avfall studerats. Först gjordes en inventering av organiska avfall med hjälp av en fallstudie för Malmö stad, därefter bedömdes potentialen för rötning och särskilt intressanta avfallstyper valdes ut för experimentella rötförsök. De avfallstyper som studerades särskilt var matavfall från hushållen, slam från fettavskiljare och frukt och grönsaksavfall. Syftet med försöken var att undersöka hur dessa avfallstyper bör rötas i reningsverkens rötkammare, separat eller genom samrötning med avloppsslammet, samt hur stor ökning av biogasproduktionen som fås genom att tillsätta dessa avfall. Genom att behandla avfall separerat från slammet ökar möjligheterna till näringsåterföring till åkermark. Emellertid passar en del avfallstyper ej för separat rötning, då avfallsmängden är för liten för att motivera en separat reaktor eller då avfallets sammansättning ej passar de anaeroba mikroorganismerna utan att annat avfall/slam blandas in.



Källsorterat organiskt hushållsavfall består av matavfall. Denna avfallstyp generas i stora mängder och skulle därför kunna rötas separat om det finns kapacitet för det på reningsverket.



Separat rötning av källsorterat matavfall från olika insamlings- och förbehandlingssystem (17 avfallsprover) undersöktes med avseende på rötbarhet vid termofil temperatur (55ºC). Resultaten visade att denna avfallstyp passar bra för separat rötning. Ett relativt högt metanutbyte (mängd producerad metan per mängd tillsatt organiskt material), 300-400 Nm3 CH4/ton VSin, och en hög nedbrytning av det organiska innehållet erhölls (ca 80 %). Två av matavfallen i denna studie undersöktes vidare, dels avfall från ett mobilt sopsugsystem och dels avfall från ett kökskvarnsystem. Båda systemen finns installerade i Malmö. Bland annat testades mesofil (35 ºC) separat rötning och samrötning med slam. Mesofil rötning visade sig ge ett något lägre metanutbyte för avfallet från sopsugsystemet jämfört med termofil rötning. För avfallet från kökskvarnsystemet gav mesofil rötning ett högt metanutbyte, medan termofil rötning ej uppnådde stabil drift. Båda avfallen visade sig passa bra för samrötning tillsammans med avloppsslam. Vid samrötning erhölls dessutom högre metanutbyten än vad som kunde förväntas utifrån separat rötning av slam och matavfall.



Fettavskiljarslammet (som är lättnedbrytbart och till största delen består av fett) kunde inte behandlas separat vid kontinuerlig rötning. Däremot fungerade det bra att samröta fettavskiljarslam och avloppsslam. Denna kombination ledde till en tydlig ökning av biogasproduktionen jämfört med separat rötning av avloppsslam. En annan fördel var att fettavskiljarslammet inte bidrar mycket till slamproduktionen. Fettavskiljarslammets organiska del bryts nämligen ner helt vid rötningen. Samrötning av fettavskiljarslam och hushållsavfall rekommenderas inte. Vid kontinuerliga rötförsök med matavfallen från sopsugsystemet respektive kökskvarnsystemet erhölls låg metanhalt i första fallet och instabil drift i andra fallet.



Frukt- och grönsaksavfall bör ej rötas separat, dels eftersom mängderna är för små och dels eftersom biogasen som producerades vid rötförsöken hade en låg metanhalt. Däremot är samrötning att rekommendera. Samrötning med slam (vid mesofil temperatur, 35ºC) gav ett högt metanutbyte och en högre metanhalt än vid separat rötning.



Trots att en stor mängd biogas produceras på reningsverken genom att slammet rötas återstår det en del organiskt material i slammet efter rötningen. Om detta organiska material kan förbehandlas så att det blir tillgängligt för de anaeroba bakterierna kan biogasproduktionen ökas. Det finns åtskilliga metoder som skulle kunna användas för detta syfte.



Den metod som studerats mest inom avhandlingsarbetet är enzymtillsats. Enzymer produceras normalt i den anaeroba processen. Enzymerna snabbar upp det första nedbrytningssteget som ofta är det begränsande steget vid rötning. Genom att tillsätta utvalda enzymer kan nedbrytningen i detta steg förbättras. Enzymer kan antingen tillsättas i ett separat förbehandlingssteg eller direkt till rötkammaren genom inblandning med antingen färskt råslam på väg in till rötkammaren eller tillsammans med delvis nedbrutet rötslam på en s.k. recirkulationsledning. I detta arbete har olika tillsatsstrategier undersökts med avseende på betydelse för metanutbytet. Satsvisa utrötningsförsök och längre kontinuerlig rötning användes för att undersöka detta. Generellt visade försöken att enzymer kan användas för att öka metanutbytet vid rötning av slam. Direkt inmatning av enzym till rötkammaren visade sig ge ungefär samma ökning av metanutbytet som separat förbehandling av slammet med enzymer. Tillsats av enzymer visade sig kunna öka metanutbytet vid rötning av slam med 20-60%, beroende av hur hög enzymdos som tillsattes.



Andra metoder som undersökts med avseende på eventuell ökning av metanutbytet vid efterföljande rötning är ultraljudsbehandling och termisk behandling (upphettning till 70ºC i 1 timme) av slammet. Den sistnämnda metoden används som hygieniseringsmetod på en del samrötningsanläggningar och kan även komma att införas på reningsverken. Ultraljudsbehandling och hygienisering av slam före rötning visade sig ge ungefär lika stora ökningar av metanutbytet. Kombinerad behandling, dvs. både ultraljudsbehandling och hygienisering visade sig inte ge högre metanutbyte än separat behandling. Däremot tyder resultaten på att det är fördelaktigt att ultraljudsbehandla eller hygienisera slammet och sen tillsätta enzymer till rötningen. Med denna metod kan ökningen i metanutbytet som erhölls från respektive metod adderas.



Optimering av rötprocessen kan leda till effektivisering av processen och även till ökad biogasproduktion. Ett ganska enkelt sätt som undersökts var att höja temperaturen i rötkammaren från mesofil till termofil temperatur. Kontinuerlig rötning vid två temperaturer, 55ºC respektive 35ºC, visade sig ge högre metanutbyte när slam rötades vid 55ºC, men när källsorterat hushållsavfall rötades erhölls ungefär samma metanutbyte vid båda temperaturerna.



Både tillsats av andra urbana organiska avfall än slam och förbehandling av slam har undersökts för fallet Malmö. Om den urbana avfallspotentialen, innefattande matavfall från hushållen, fettavskiljarslam och frukt- och grönsaksavfall, utnyttjas för biogasproduktion på reningsverket kan en ökning av biogasproduktionen motsvarande 80 % fås. Ungefär lika stor ökning kan också förväntas genom att hygienisera slammet (1 timme i 70ºC) och därefter tillsätta en hög dos enzymer till rötkammaren.

• author: Davidsson, Åsa
• supervisor: Jes La Cour Jansen
• opponent: Dr Schmidt, Jens Ejbye, Institute of Environment & Resources , Technical University of Denmark
• organization: Division of Chemical Engineering
• publishing date: 2007
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Chemical Engineering
• keywords: kontroll av utsläpp, pollution control, Miljöteknik, Environmental technology, Miljöstudier, Environmental studies, biogas, anaerobic digestion, sludge, Wastewater, organic waste, methane
• pages: 42 pages
• defense location: Kemicentrum, hörsal B, Getingevägen 60, Lunds Tekniska Högskola
• defense date: 2007-02-08 10:15:00
• external identifiers: other:ISRN: LUTKDH/(TKKA-1002)/1-42/(2007)
• ISBN: 978-91-7422-143-5
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 77f0cb87-e80a-4bec-8d44-694d36c97ba8 (old id 547873)
• date added to LUP: 2016-04-01 15:39:18
• date last changed: 2023-04-18 19:53:44