How the Choice of Primary Treatment Affects the Biogas Potential of Primary Sludge

Abstract

The global heating has resulted in rising temperatures and more extreme weather conditions around the world. In combination with increasing energy demands, this has led to an increasing demand of renewable energy. One option is utilizing the wastewater to produce biogas. There-fore, wastewater can be seen as a resource rather than waste. Biogas production is based on anaerobic digestion where microorganisms transform organic matter into methane.

Primary treatment in wastewater treatment plants (WWTPs) remove mostly the particulate or-ganic content, therefore the sludge gathered in this stage is rich in organic matter. The primary treatments available are the conventional primary settling treatment (PST) and filtration, e.g. ro-tating belt filter (RBF), where both can be combined with chemically enhanced primary treat-ment (CEPT). RBF requires less space in comparison to PST and might create a sludge with a higher energy output, due to a different composition of RBF sludge, e.g. it has a higher content of cellulose. RBF sludge has been found to have a higher biogas potential than PST sludge, when comparing primary treatment from different WWTPs.

The objective of the project was to determine if RBF has higher biogas potential than PST by using PST sludge and CEPT-RBF sludge from the same WWTP. Further, the biogas potential at mesophilic and thermophilic temperatures were tested. Settled sludge and settled CEPT sludge were produced in order to evaluate the potential of sludge without storage time in settlers.

Bio-methane potential (BMP) tests were used to evaluate the biogas potential. An automatic methane potential test system (AMPTS) was used. The AMPTS is a set up where reactors with substrate and inoculum is sealed and placed within a thermostatic water bath and connected through tubes to bottles that absorb water and carbon dioxide. In turn, these bottles are connect-ed to a device that registers the gas that passes through it continuously.

The characterization of sludge from PST and RBF sludge indicated that different primary sludge have different compositions. The different types of RBF sludge (the CEPT-fermented RBF, the RBF and the CEPT-RBF) had the highest carbohydrate content, supporting the hypothesis that there is more cellulose in the RBF. That is reasonable since cellulose has a higher buoyancy and does not settle easily, it is more readily removed by filtration as RBF. The PST sludge had the lowest content of carbohydrates, while the protein and fat content could vary.

The results showed that thermophilic conditions improved the biogas potential. The BMP had a range from 100 to 250 NmL CH4/g VS at mesophilic conditions for different sludge. In com-parison, the thermophilic BMP test had a BMP range of 150-325 NmL CH4/g VS. In all cases, the BMP of RBF sludge was larger than that of PST sludge. Further, CEPT increased the bio-gas potential when implemented, while the CEPT-fermented RBF sludge had a lower BMP than non-fermented CEPT-RBF sludge. The sludge produced at the laboratory that simulated differ-ent types of PST sludge with a short storage time had a higher biogas potential than both the CEPT-RBF and PST sludge. This data indicates that hydrolysis that occur during storage of primary sedimented sludge can decrease the biogas potential.

Therefore, the results indicate that the difference in composition has a significant impact on the biogas yield. Since the content of the different types of sludge have an effect on the biogas pro-duction, it can be concluded that there is a connection between the primary treatment chosen and the BMP.

Abstract (Swedish)

Stigande energianvändning och global uppvärmning har lett till en ökad efterfrågan av förnyel-sebara energikällor. Ett alternativ är att utnyttja avloppsvatten för att producera biogas. Avlopps-vatten kan därav ses som en resurs snarare än avfall. I biogasproduktion används anaerob ned-brytning där mikroorganismer bryter ner organiskt material till metan.

Primär rening är första steget inom avloppsvattenrening, där partikulärt organiskt material av-lägsnas. Slammet som samlas in från det steget är därav rikt på organisk material. Förutom den konventionella försedimenteringen finns även filter som t ex roterande bandfilter. Båda tekni-kerna kan kombineras med kemisk rening för att optimera reningen. Roterande filter har jämfört med försedimentering ett mindre ytbehov och producerar ett slam med en annan sammansättning än försedimenteringen, det har en högre andel energirik cellulosa. Filterslam har även en högre biogaspotential än försedimenterat slam när slam från olika avloppsvattenreningsverk jämförs.

Projektets mål var att undersöka om filterslam slam har en högre biogaspotential än försedimen-terat slam när båda är producerade på samma avloppsreningsverk. Vidare, undersöktes biogas-potential vid mesofila och termofila förhållanden. Slam producerades i laboratorium med sedi-mentering och polymer för att undersöka påverkan av förvaringstiden i försedimenteringen

Biometanpotentialtester användes för att undersöka biogaspotentialen. Ett automatiskt metan-potentialtestsystem (AMPTS) användes för att utföra testerna. Systemet består av reaktorer som fylls med substratet och ymp när den anaeroba nedbrytningen sker. Reaktorerna är placerade i ett vattenbad och kopplade till behållare med natriumhydroxid som absorberar metan och koldi-oxid från gasen. Behållarna är kopplade till en enhet som registrerar gasen i volymenheter.

Karakteriseringen av slammen indikerar att det filterslammet (även det fermenterade filterslam-met och det filterslammet utan polymer) har en högre mängd kolhydrater än slammet från förse-dimenteringen. Det stödjer hypotesen om att filterslammet består av mer cellulosa. Det är rimligt eftersom cellulosa har en högre flytförmåga och därför inte sedimenterar lätt och det avlägsnas enklare genom filtrering i roterande filter. Det försedimenterade slammet hade den lägsta mäng-den av kolhydrater, medan protein- och fett-innehållet varierade.

Resultaten visade att termofila förhållande var bättre för biogasproduktionen. För olika slam varierade biometanpotentialen under termofila förhållanden mellan 150 och 325 Nml CH4/g VS. I jämförelse varierade biometanpotentialen mellan 100 och 250 Nml CH4/g VS under mesofila förhållanden. Av det försedimenterade slammet och filterslammet, hade det roterande fil-terslammen en högre biogaspotential, vilket indikerar att sammansättningen av slammet påverkar biogaspotentialen. Det fermenterade filterslammet hade en lägre biogaspotential än det icke fer-menterade filterslammet och ännu högre än det försedimenterade slammet. Bland de laboratorie-producerade slammen producerade det sedimenterade slammet med polymer mer biogas än slammet utan polymertillsats. Båda hade högre biogaspotential än det roterande filterslammet och det försedimenterade slammet. Eftersom hydrolys kan ske under slamlagringstiden tyder det på att förvaringstiden har en signifikant påverkan på biogaspotentialen.

Resultaten indikerar därför att skillnaden i sammansättning av slam har en signifikant påverkan på biogaspotentialen. Eftersom sammansättningen av slammen har en effekt på biogaspotentia-len, kan slutsatsen dras att det finns en koppling mellan val av primär rening och biogaspotenti-al.

Popular Abstract (Swedish)

Föroreningar i tätbebyggda områden, extremväder och förhöjda temperaturer är problem som samhällen över hela jorden nu står inför. Först och främst beror dessa problem på en ökad energianvändning och utsläpp från fossila bränslen. Den viktigaste lösningen är att minska energiförbrukningen. I andra hand så måste de stora bovarna inom energianvändning som kolkraft och fossila drivmedlen ersättas med grön, förnyelsebar energi. Med grön energi kan konsekvenserna av fossila bränslen minska. Med i sämsta fall 10 år kvar tills 1,5 graders målet inte längre kan uppnås enligt den senaste klimatrapporten från IPCC är det viktigare än någonsin att ställa om energiproduktionen. Ett sätt att producera grön energi är att använda slam. Men vad har slam med energi att göra?

Slam är restprodukten från ett reningsverk. Slammet separeras från avloppsvattnet och liknar en sörja i konsistens och färg. Det är ett organiskt material likt gödsel, hushållsavfall och växter. Eftersom slam är organiskt kan det brytas ner till biogas av mikroorganismer i en syrefri miljö. Biogas är en blandning av olika gaser där största delen består av metan. Idag finns biogasproduktion på flera stora vattenreningsverk i Sverige och biogasen har flera användningsområden. Den kan användas lokalt för att driva vattenreningsverket eller kollektivtrafik. Idag använder 17 av 21 svenska regioner biogas i kollektivtrafiken. Det är ett framsteg eftersom det ersätter fossila drivmedlen och därför inte bidrar till utsläpp av växthusgaser.

I takt med att användningsområdet av biogas ökar, behöver även biogasproduktionen öka. Av den anledningen pågår idag forskning på vattenreningsverk för att öka kunskapen om biogasproduktion. En del fokus ligger på optimering av själva biogasprocessen, medan en del har flyttats till slammet som används för biogasproduktionen. Bland annat så har forskning visat att slam med olika produktionssätt och från olika reningsverk har olika förmåga att omvandlas till biogas.

Det finns primärt två olika sätt att avskilja organiskt material från avloppsvattnet och skapa slam. Den första är att leda avloppsvattnet in i stora bassänger där en del av det organiska materialet sjunker till botten, likt sand som blandats med vatten. Det material som samlas på botten är slam och kallas sedimenterat slam. Detta är den äldsta och vanligaste metoden att rena vatten. Sedan början av 2000-talet finns det en ny metod som kan användas istället för stora bassänger. Det är ett typ av filter som fångar upp organiskt material medan vattnet passerar igenom det. Filter som reningsmetod har visat sig ha flera fördelar. Det tar upp mindre yta än stora bassänger och skapar slam som innehåller mer cellulosa än konventionellt sedimenterat slam. Filterslam har även visat sig kunna generera mer biogas i förhållande till sedimenterat slam, något som potentiellt kan kopplas till den större andelen cellulosa i slammet.

På reningsverket Källby i Lund har en pilot byggts för att undersöka filterslam och jämföra det med slammet från de stora bassängerna som idag används för att rena vattnet som kommer till reningsverket. I det här examensarbetet har sedimenterat slam jämförts med filterslam, för att avgöra om den nya metoden kan öka biogasproduktionen. Resultaten från studien stödjer att biogaspotentialen kan öka genom att välja filter som reningsmetod istället för stora bassänger. Det här resultatet bidrar till ökad förståelse av biogasproduktion och till hur framtida vattenreningsverk kan designas utifrån perspektivet att slam är en energikälla.

• author: Blom, Fanny
• supervisor: Åsa Davidsson; David Gustavsson
• organization: Chemical Engineering (M.Sc.Eng.)
• course: VVAM05 20212
• year: 2022
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: wastewater treatment, primary treatment, biogas potential, primary settling treatment, rotating belt filter, chemically enhanced primary treatment, environmental engineering, water resources engineering
• language: English
• id: 9078923
• date added to LUP: 2022-05-06 10:10:45
• date last changed: 2022-05-06 10:10:45