Optimal processtemperatur vid mesofil samrötningsprocess

Abstract

The purpose of this master thesis has been to investigate how a change in process temperature can affect the stability and production of biogas. The plant which is operated and administrated by OX2 Bio Produktion AB located in Helsingborg produces biogas from primarily household food waste and waste from food industry. An ideal temperature to produce biogas at the plant is 37 °C but there is a fluctuation throughout the year depending on season. During summer the process temperature within the anaerobic digesters can rise close to 42 °C. How this can affect the production of biogas and process stability was investigated and evaluated in this master thesis. Main focus throughout the work has been to investigate the different temperatures 37 °C, 39 °C, 44 °C and 49 °C in terms of amount produced biogas, concentration of free fatty acids,concentration of ammonium, pH, temperature, dry matter content and the gas composition.
Initially four reactors of 4.5 liters each were operated for 103 days. A start-up period during day 1-34 and a temperature change period during day 35-49 led up to the intended temperatures. At intended temperatures the reactors were operated during day 50-103. To evaluate if it was viable to raise the temperature from an energy perspective calculations were made for this purpose. These calculations were made to investigate if more energy in form of methane could be produced than needed to heat the process to a higher temperature. During start-up it was shown that the reactors produced equivalent amount of biogas during equivalent conditions. After the temperature change the microorganisms in reactors with a larger temperature change were most affected. This resulted in reduced amount of produced biogas. The concentrations of free fatty acids also increased in those reactors with a major temperature change. At intended temperatures only three of the initial four reactors were used because one reactor which was intended to have a temperature of 49 °C cracked at day 52. As the microorganisms customized to the new condition it was shown that a higher amount of biogas was produced at 44 °C compared to lower temperatures. Concentrations of free fatty acids were initially increased but decreased as the microorganisms had adapted. Concentration of free fatty acids remained higher in the reactor with higher temperature throughout the experiment. Concentration of ammonium was slightly higher for a higher temperature. The fact that the microorganisms produced higher amounts of biogas at higher temperature indicates that the concentrations of ammonium did not cause inhibition. pH was stable throughout the entire experiment for all reactors. pH-values was slightly higher at higher temperatures. Energy calculations showed that more energy was produced in the form of methane at higher temperature than needed to raise the temperature to the higher temperature. This means that it is energetically beneficial to produce biogas at a higher temperature. A variation in temperature is not favorable for the microorganisms since it contributes to instability. It furthermore leads to lower amount of produced biogas and higher concentrations of free fatty acids since the microorganisms is not effective enough during the transition phase to decompose all substrate that is added to the reactor. At 44 °C the seasonal variations in reactor temperature would be eliminated. Taken together results from this master thesis show that it would be favorable to produce biogas at 44 °C compared to 37 °C.

Abstract (Swedish)

Syftet med detta examensarbete har varit att undersöka hur en förändring av processtemperatur kan påverka processtabilitet och produktion av biogas hos OX2. Anläggningen som drivs och förvaltas av OX2 Bio produktion AB i Helsingborg producerar biogas från främst matavfall från hushåll och från livsmedelsindustrin. Idealt produceras bio-gas i anläggningen vid 37 °C men under året finns en variation i temperatur till följd av årstiderna. Under sommaren stiger temperaturen i rötkamrarna och kan då närma sig 42 °C. Hur detta påverkar biogasproduktionen och dess stabilitet har undersökts i detta examensarbete. Fokus låg på att undersöka rötning vid de olika temperaturerna 37 °C, 39 °C, 44 °C och 49 °C med avseende på mängd producerad biogas, koncentrationen fria fettsyror, koncentrationen ammonium, pH, temperatur, torrsubstanshalt samt gasens sammansättning. Reaktorerna var initialt fyra stycken om 4,5 liter vardera som totalt drevs under 103 dagar. En uppstartsperiod under dag 1-34 och en temperaturförändringsperiod under dag 35-49 ledde till de avsedda temperaturerna. Vid avsedda temperaturer drevs sedan tre reaktorer under dag 50-103. För att utvärdera om det var lönsamt att höja temperaturen rent energimässigt gjordes energiberäkningar för att visa om mer energi fås ut i form av metangas än vad som krävs för att värma till högre temperatur. Under uppstarten visades att reaktorerna vid likvärdiga förhållanden producerade likvärdigt med biogas. Vid temperaturförändring påverkades mikroorganismerna mest i de reaktorer där temperaturförändringen var störst. Detta ledde främst till minskad mängd producerad biogas och även att koncentrationen fria fettsyror ökade. Vid avsedda temperaturer användes endast tre av de fyra reaktorerna eftersom reaktorn vid 49 °C sprack under dag 52. Allt eftersom mikroorganismerna anpassade sig till sin nya förutsättning visades att det producerades mer biogas vid 44 °C jämfört med de lägre temperaturerna. Initialt ökade koncentrationen av fettsyrorna för reaktor vid 44 °C men avtog sedan allt eftersom mikroorganismerna anpassade sig. Koncentrationen fria fettsyror förblev högre under hela försöket för den högre temperatu-
ren. Koncentrationen ammonium var något högre för den högre temperaturen. Att mikroorganismerna producerade mer biogas vid högre temperatur visar på att ammoniumkoncentrationen
inte var sådan att den var inhiberande för mikroorganismerna. pH var stabilt under hela försöket för alla reaktorer. Energiberäkningarna visade att det produceras mer energi i form av metangas vid högre temperatur än vad som behövs för att värma till en högre temperatur. Detta innebar att det är
energimässigt gynnsamt att producera biogas vid en högre temperatur. En variation i temperatur är inte gynnsamt för mikroorganismerna eftersom det bidrar till in-
stabilitet. Det leder till mindre mängd biogas och större andel fria fettsyror som följd av att mikroorganismerna under anpassningsfasen inte är tillräckligt effektiva för att bryta ner allt substrat som tillförs. Genom att använda sig av 44 °C i rötkamrarna skulle problemet med variation i temperatur under året inte vara något problem. Sammantaget kan de konkluderas, baserat på resultaten från detta examensarbete, att det skulle vara mer lönsamt att producera biogas vid 44 °C jämfört med 37 °C.

Popular Abstract (Swedish)

För att kunna få fram mer biogas med samma mängd material kan temperaturen spela en viktig roll. Genom att studera temperaturen kan tillverkningen av biogas bli effektivare.
Vid tillverkning av biogas används vanligtvis en temperatur på antingen 35-40 °C eller 50-55 °C. Under året varierar utomhustemperaturen vilket påverkar temperaturen i biogasanläggningen. Vid biogastillverkningen hos OX2 i Helsingborg är temperaturen normalt 37 °C men kan under sommaren öka till 42 °C. Vad denna temperaturökning har för inverkan har tidigare inte undersökts. För att undersöka hur en högre temperatur än 37 °C påverkar biogastillverkningen och hur temperaturökningen påverkar biogastillverkningen användes mindre reaktorer i laboratorieskala. De temperaturer som undersöktes var 37 °C, 39 °C, 44 °C och 49 °C. Under arbetet togs prover under tillverkningen av biogas för att se om temperaturen påverkade de mikroorganismer som kan omvandla till exempel matavfall till biogas.
De försök som gjordes vid olika temperaturer visade att det kan produceras mer biogas vid 44 °C än vid 37 °C och 39 °C. Det kärl som användes för biogastillverkning vid 49 °C gick sönder under försöken. Det som kunde visas innan det gick sönder var att det var dåligt men en så hög temperaturökning som till 49 °C. En temperaturökning påverkade biogastillverkning på ett dåligt sätt då temperaturen förändrades men när temperaturen varit densamma en längre period ökade biogasproduktionen igen.
Biogas består av metan och koldioxid. För att använda biogas som till exempel fordonsbränsle istället för bensin tas koldioxiden bort. Därför är det bra att ha mycket metan i biogasen när den tillverkas. Försöken visade att andelen metan var lägre vid en högre temperatur. När den högre mängden biogas och den lägre mängden metan lades samman visades det att mer metan producerades vid en högre temperatur för varje mängd material som användes.
Genom att kunna producera mer biogas vid en högre temperatur kan tillverkningen av biogas bli effektivare. Beräkningar gjordes som visade att det bildas mer energi i form av metan vid en högre temperatur än vad som behöver tillsättas för att uppnå en högre temperatur. Genom att producera biogas vid en högre temperatur fås dels mer biogas samtidigt som problemet med varierande temperatur under året försvinner eftersom det istället är varmt i anläggningen hela året. Då värms anläggningen på vintern och på sommaren behöver varken kyla eller värme tillsättas.

• author: Nilsson, Henrik
• supervisor: Åsa Davidsson; Irene Bohn
• organization: Chemical Engineering (M.Sc.Eng.)
• course: VVA820 20161
• year: 2016
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: mesofil samrötning, Biogas, processtemperatur, vattenförsörjningsteknik, avloppsteknik, water engineering, environmental engineering
• language: Swedish
• id: 8877183
• date added to LUP: 2016-06-14 11:59:27
• date last changed: 2016-06-14 11:59:27