Intensification of the biogas process by improved process monitoring and biomass retention

Abstract

The utilisation of energy in the form of biogas is one of the environmentally sound alternatives available using renewable energy sources. Biogas is formed by anaerobic degradation of organic material, the main consistuent being energy-rich methane. There is a large unused potential of organic waste that is suitable for biogas production and the anaerobic digestion process has the potential of becoming an important waste treatment and bioenergy generating method in the future. Laws, government grants, taxes and an increasing environmental concern are presently directing developments in a favourable direction for the increased use of the biogas process, but the implementation of anaerobic digestion technology is not straightforward and there is a need for further efforts to develop reliable, economically feasible technology.



Anaerobic degradation is performed by a well-organised community of several microbial populations, and is a complex process. Some of the microbial groups involved are slow-growing and sensitive to changes in operating conditions. This can cause instability during both the start-up and operation of the anaerobic process. To make the biogas process more attractive from a commercial point of view, and to facilitate increased integration into our energy supply systems, these instability problems must be overcome in an economically viable way. The purpose of the present work was to investigate different methods of improving the performance and efficiency of the anaerobic digestion process. Based on the knowledge concerning microbial and physical events in the anaerobic digestion process, two main strategies were applied; biomass retention and improved process monitoring.



Support materials were utilised to facilitate the retention of slow-growing organisms in biofilms, thereby stabilising the process. It was shown that the protected environment of a biofilm in combination with a long adaptation period made the treatment of toxic wastewater possible. A support material was also successfully used when treating waste containing a high concentration of insoluble particles. No clogging problems occurred, and the retention of important bacteria resulted in a change in metabolic flow and increased process stability. In a two-phase process, a protected environment can be created for the sensitive methanogens. A biosensor that could be used for monitoring of the flow of organic compounds reaching the methanogens was developed. The sensor was able to measure the biochemical oxygen demand (BOD) in a few minutes, making it suitable for on-line monitoring.



More efficient operation can be achieved by improving process monitoring, which allows waste treatment at a higher rate. Traditional off-line monitoring methods used in anaerobic digestion were investigated; the results indicating that the present monitoring strategy is not adequate if the process is to be operated at a higher rate. The very rapid response to overload indicates that on-line monitoring is necessary to make suitable process control possible. A new method for utilising a semiconductor sensor for the monitoring of dissolved hydrogen on-line was described. The method was evaluated together with other traditional and new monitoring methods, and proved to be a useful tool in on-line anaerobic digester process monitoring.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Riksdagen har beslutat att Sveriges energisystem ska ställas om. Målet är ett ekologiskt uthålligt samhälle där staten verkar för en säker, effektiv och miljövänlig tillförsel och användning av energi. Detta görs bland annat genom att stödja forskning om förnybara energikällor. Biogasen är här ett av flera möjliga alternativ och har också utnämnts till det mest miljöanpassade drivmedlet för fordon i konkurrens med t ex el, etanol och rapsmetylester.



Biogas bildas då mikroorganismer bryter ner organiska föreningar anaerobt, dvs utan närvaro av syre. Processen kallas ibland rötning, och den huvudsakliga nedbrytningsprodukten är metan, som också är den molekyl som gör biogasen så energirik. Biogasen, kan användas både som bränsle i kraftvärmeverk och som fordonsbränsle. Det har beräknats att vi genom att samla in och röta avfall skulle kunna utöka biogasanvändningen till 17 TWh/år inom en 10-års period. Detta motsvarar ungefär den årliga energiproduktionen i 4 kärnkraftsreaktorer av Barsebäcks storlek. De avfall som skulle utnyttjas finns till stor del inom jordbruket men innefattar även sorterade hushållssopor och industriavfall. Användningen av energi från biogas i Sverige uppgår idag till 1,4 TWh/år. Av detta används idag 2-3 % som fordonsbränsle vilket gör att vi årligen kan ersätta 3,5 miljoner liter bensin med ett förnybart drivmedel. Att övergången från fossila bränslen måste ske beror dels på att omsättningen av fossilt bränsle leder till frisättning av stora mängder av koldioxid som bidrar till växthuseffekten, dels på att resurserna av fossilt bränsle faktiskt är begränsade. Bensin produceras genom raffinering av olja, och de idag utvinningsbara oljereserverna tar slut om 40 år räknat på dagens oljekonsumtion. Förutom denna aspekt skulle ett utökat användande av biogasprocessen medföra en rad andra fördelar och hjälpa oss uppnå några av de miljömål som satts upp:



· Hållbar avfallshantering: Under 1998 hamnade 4,8 miljoner ton avfall på tippen i Sverige. Ungefär en tredjedel utgjordes av organiskt material som skulle lämpa sig för biogasproduktion. I Sverige har vi beslutat att deponeringen av denna typ av avfall ska upphöra helt till 2005. För att styra utvecklingen därhän har en avfallsskatt införts, vilket innebär en kostnad på 250 kronor per ton om man vill lägga biologiskt nedbrytbart avfall på tippen. I EU-direktivet som berör denna fråga rekommenderas utökad biogasproduktion som en av åtgärderna för att minska avfallsdeponeringen.



· Växthuseffekten: Sverige har förbundit sig att minska sina utsläpp av växthusgaser med 60 % till år 2050. En ökad satsning på biogassystem kommer att leda till att utsläppen av växthusgaser minskar av två anledningar; - När biogas ersätter fossila bränslen minskar nettoutsläppet av koldioxid till atmosfären. Om vi skulle ersätta 17 TWh av bensin- och diselförbrukningen med biogas skulle det innebära minskade koldioxidutsläpp med 5 miljoner ton årligen, motsvarande 10 % av Sveriges utsläpp. - Metan är en växthusgas som har en nästan 30 gånger kraftigare värmehållande effekt än koldioxid, och har beräknats bidra till 18 % av växthuseffekten. I soptippar, och andra syrefria miljöer skapade genom mänsklig aktivitet, bryts organiskt material ned till metan som okontrollerat läcker upp till atmosfären. Genom kontrollerad insamling och rötning av organiska restprodukter kommer metanutsläppen att minska. En årlig biogasproduktion på 17 TWh skulle medföra minskade metanutsläpp motsvarande ytterligare en 10-procentig minskning av Sveriges bidrag till växthuseffekten.



· Kväveläckage: En stor del av restprodukterna inom jordbruket plöjs idag ner i åkern efter avslutad skörd. I den syrefria miljön i fuktig åkermark bryts det organiska materialet ned av markorganismer. Förutom att metan bildas och läcker till atmosfären frigörs även kväve vid nedbrytningen. I Skåne läcker 35 kg kväve per hektar och år ut till vattendragen, vilket ger stora problem med övergödning och syrebrist i sjöar och hav. Sveriges bönder ska på "frivillig" väg minska kväveläckaget med 40 % på 20 år. Att samla in och kontrollerat röta jordbruksavfallen skulle vara ett viktigt led i detta arbete.



Men om det nu finns så mycket som talar för att utöka användningen av biogasprocessen, varför gör vi det inte redan idag? En av orsakerna är att en mikrobiologisk process är svår att tämja. Den mikrobiella nedbrytningen sker i flera delsteg med hjälp av olika grupper av mikroorganismer. De anaeroba bakterierna växer mycket långsamt och är känsliga för störningar. Detta gör att processen kan vara instabil vid höga belastningar, och många biogasanläggningar drivs idag långt under sin maximala kapacitet som skydd mot överbelastning. Detta ger stora anläggningar med höga investeringskostnader. För att vi ska våga integrera biogasprocessen i större utsräckning i vårt energisystem måste processtekniken vara pålitlig och driftsäker. Dessutom, om biogasprocessen ska få ökad genomslagskraft måste tekniken också vara ekonomiskt lönsam. Hur lönsamheten beräknas beror mycket på hur olika miljöfördelar värderas.



Två grundläggande metoder för att göra biogasprocessen effektivare har studerats i detta arbete; att skapa förbättrade förhållanden för långsamväxande och känsliga mikroorganismer och att skydda mikroorganismerna från störningar genom förbättrad processövervakning. I artikel I och II beskrivs hur nedbrytningsprocessen stabiliseras genom att de långsamväxande mikroorganismerna får växa på ett bärarmaterial. Detta gör att processen kan belastas högre, och mikroorganismerna skyddas dessutom från giftiga ämnen. I artikel III och VI mäts signaler för att se om de på ett bra sätt återspeglar tillståndet för de aktiva organismerna i processen. Genom att studera dessa signaler kan man se om processen är för hårt belastad. Artiklarna IV och V beskriver två nya metoder för förbättrad processövervakning. Det viktiga med metoderna är att de kan användas "on-line", dvs de ger en kontinuerlig signal som kan användas för processtyrning. Detta medför att processen skulle kunna belastas närmre gränsen för vad den tål, och biogasanläggningen kan därmed utnyttjas effektivare.

• author: Björnsson, Lovisa
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Prof Svensson, Bo, Dept of Water and Environmental Studies, University of Linköping
• organization: Environmental and Energy Systems Studies
• publishing date: 2000
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Industrial Biotechnology
• keywords: BOD, hydrogen, on-line, monitoring, biofilm, anaerobic digestion, biogas, Biotechnology, Bioteknik
• pages: 124 pages
• defense location: Room K:C, Chemical Center
• defense date: 2000-04-28 13:15:00
• external identifiers: other:ISRN: LUTKDH/TKBT--00/1048--SE
• ISBN: 91-7874-075-4
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 19614403-558c-4e17-990d-e4b5d68fc26e (old id 40508)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:51:24
• date last changed: 2018-11-21 21:07:39