Examensarbete
Lagringstidens påverkan på
metanpotentialen i matavfall
Författare:
Emil Hellman
Handledare Tekniska verken:
Sören Nilsson Påledal
Handledare LiU: Robert Gustavsson Examinator LiU: Annika Björn Tema Miljöförändring Tekniska verken 20 januari 2015
Sammanfattning
Tekniska verken AB Tema Miljöförändring
Teknologie Master
Lagringstidens påverkan på metanpotentialen i matavfall av Emil Hellman
Biogas är en förnyelsebar energikälla som tillverkas genom att organiskt material som exempelvis matavfall bryts ner av mikroorganismer under anaeroba (syrefria) förhållan-den. Regeringen har satt upp mål för en högre matavfallsutsortering vilket leder till ökad mängd tillgängligt substrat till biogasproduktion.
Matavfallet som samlas in börjar brytas ner under tiden det transporteras och lagras. Syf-tet med studien var att undersöka hur länge matavfall lagras, ta fram ett representativt recept på ett genomsnittligt matavfall i Sverige och utvärdera hur mycket metanpotential som försvinner från matavfall med avseende på lagringstid, insamlingssystem (pappers-och plastpåse) (pappers-och lagringstemperatur (22◦C och 6◦C) genom laboratorieförsök.
Den genomsnittliga lagringstiden för matavfall från villor och erbostadshus i undersök-ningen var sex dagar. Ett recept för matavfall har tagits fram med hjälp av litteratur-sökning och modi ering av recept i Avfall Sveriges rapport U2010:10. Laboratorieförsök visade att skillnaden i metanpotential för matavfall som lagrats i plast- och papperspåse var tydlig vid 22◦C, då metanpotentialen sjunker i papperspåsar, men obe ntlig vid 6◦C.
För att uppnå maximal metangasproduktion från matavfall under den varma delen av året så är plastpåsar bättre då de har en mer konserverande eekt på matavfallet än papperspåsar. Detta kan relateras till att plast är tätare än papper och därför kvarhåller yktiga ämnen.
Strort tack till alla som hjälpt och stöttat mig i detta projekt! Till anställda på Tekniska verken, FoU biogas och andra avdelningar som varit behjälpliga. Ett särskilt tack riktas till min handledare Sören samt till Julia och Robert och som stöttat mig i rapportskriv-ningen. Tack till So e för att du tror på mig!
Innehåll
Sammanfattning i Abstract ii Tack iii Innehållsförteckning iv Förkortningar vi 1 Introduktion 1 1.1 Bakgrund . . . 1 1.2 Syfte . . . 3 1.3 Forskningsfrågor . . . 3 1.4 Avgränsningar. . . 4 2 Teori 5 2.1 Biogas . . . 5 2.1.1 Substrat . . . 52.1.2 Anaerob nedbrytning (rötning) . . . 5
2.1.3 Förbehandling av matavfall . . . 7
2.2 Karakterisering och recept . . . 10
2.3 Lagring av matavfall . . . 12
2.3.1 Lagringstid, temperatur och påstyp . . . 12
2.3.2 Insamlingssystem för matavfall . . . 13 2.3.3 Utvärdering av nedbrytningsgrad . . . 14 2.3.4 Metanpotential . . . 14 2.3.5 Satsvisa utrötningsförsök . . . 15 2.3.6 Fosfor . . . 15 2.3.7 Liknande studie. . . 15 2.3.8 Konservering . . . 17 3 Metodbeskrivning 18 3.1 Karaktärisering och recept . . . 18
3.2 Lagring av matavfall . . . 19
3.2.1 Uppvägningar . . . 19 iii
3.2.2 Försökssparametrar . . . 20
3.2.3 Provberedning . . . 20
3.2.4 Provförvaring . . . 21
3.2.5 Analyser av lagrat matavfall. . . 22
3.3 Satsvisa utrötningsförsök. . . 24
3.3.1 Experimentuppställning . . . 24
3.3.2 Omrörning . . . 25
3.3.3 Temperatur . . . 25
3.3.4 Ymp . . . 26
3.3.5 Referens och internkontroll . . . 26
3.3.6 Uppstart. . . 27
3.3.7 Avslut . . . 27
3.3.8 Beräkningar . . . 28
3.4 Undersökning av insamlingssystem för matavfall. . . 28
3.4.1 Intervjuer . . . 28
3.4.2 Beräkningar . . . 29
4 Resultat och diskussion 31 4.1 Karaktärisering och recept av matavfall . . . 31
4.2 Karaktärisering av lagrat matavfall . . . 34
4.2.1 TS och VS . . . 34 4.2.2 COD . . . 36 4.2.3 pH . . . 37 4.2.4 Totalkväve . . . 38 4.2.5 Ammoniumkväve . . . 39 4.2.6 VFA . . . 40 4.2.7 Fosfor . . . 42 4.3 Metanproduktion från matavfall. . . 43 4.3.1 Osäkerheter . . . 45 4.4 Undersökning av insamlingssystem . . . 45 5 Slutsatser 48 A Recept Matavfall 51 B Intervjuer 53 B.1 Intervjuer . . . 53 B.1.1 Frågor . . . 53 B.1.2 Svar . . . 54 B.2 Beräkningar . . . 57 C Rådata 58 Litteraturförteckning 63
Förkortningar
VFA Volatile Fatty Acids Flyktiga fettsyror
TS Total Solids Torrsubstans
VS Volatile Solids Organiskt innehåll
COD Chemical Oxygen Demand Kemisk syreförbrukning
Introduktion
1.1 Bakgrund
Biogas är en förnyelsebar energibärare vilket betyder att den till skillnad från fossila bränslen inte ger något nettotillskott av koldioxid till atmosfären. Tillverkning av biogas sker genom rötning, där organiska substrat (matavfall, slaktrester, avloppsslam, mm.) bryts ner utan närvaro av syre och bildar metan, koldioxid och rötrest (gödsel). Även andra gaser bildas men i signi kant mindre volymer. Metan kan användas som bränsle för el- och värmeproduktion eller som drivmedel i fordon. Att biogas inte ökar nettomängden av kol i atmosfären gör den till en miljövänlig ersättare till fossila bränslen som bensin och diesel. Den rötrest som blir kvar efter rötningen är mineral- och kväverik och kan med fördel användas som gödsel vid odling. [1]
Enligt Naturvårdsverkets rapport Matavfallsmängder i Sverige[2] producerades 1 040 000 ton matavfall från hushåll, storkök, butiker och restauranger år 2012. Enligt Av-falls Sveriges informationsskrift Svensk avAv-fallshantering 2014 uppgick den biologiska behandlingen av matavfall år 2012 till 318 000 ton och år 2013 till 370 000 ton vilket var cirka 35 % av den totala mängden matavfall[3]. Sveriges regering beslutade år 2012 om ett mål att 50 % av allt matavfall ska sorteras ut från 2018 och att 40 % av matavfallet ska behandlas så att energi och näringsämnen tas tillvara genom till exempel rötning[4]. De vanligaste insamlingssystem för matavfall från hushåll i Sverige idag är separata kärl med papper eller majsstärkelsepåsar. Ett alternativ som också används är färgade plastpåsar som slängs med övrigt hushållsavfall och sedan sorteras ut optiskt.[5] Tidigare
studier har visat att olika insamlingssystem hade inverkan på nedbrytning av matavfallet och avgång av ämnen som potentiellt skulle kunna blivit biogas.[6] Med denna utgångs-punkt utformades detta projekt för att ytterligare undersöka hur mycket metanpotential som försvinner ur matavfall från hushåll då det lagras. En annan bakomliggande orsak till att detta projekt genomfördes var strävan efter att få ut så mycket biogas som möjligt från det matavfall som samlas in från hushåll.
Matavfall som rötas behandlas vid storskaliga anläggningar där det förutom stora luft-täta rötkammare ofta nns förbehandling för matavfall och uppgradering av biogas. När matavfall anländer till en biogasanläggning kan det vara i olika skick beroende på lagringstid, vilket insamlingssystem som användes och vid vilken temperatur det lagra-des.Som anskaare vi en biogasanläggning krävs därför god kunskap om hur ett substrat ska värderas. Uppgifter om hur mycket metan som kan utvinnas per viktenhet är nöd-vändigt för att kunna värdera substraten korrekt. Det nns även nytta av projektet ur ett driftperspektiv vid själva biogasanläggningen. Olika sorters biologiskt nedbrytbara substrat kommer till anläggningen med ojämna mellanrum. Ibland står många olika sub-strat i kö för att rötas i anläggningen och vid dessa tillfällen kan en fördjupad kunskap om förändringar av metanpotentialen vid lagring vara till hjälp för att prioritera vilket substrat som ska röta först. Kunskap om hur metanpotentialförlusten ser ut över tid för olika insamlingssystem kommer därför göra det lättare att ta beslut som gynnar metan-produktionen. Kunskap om hur matavfall bryts ner beroende på insamlingssystem och lagringstid är viktigt för kommuner och företag som sysslar med avfallshantering. System för hantering av avfall är komplexa och med mer information om bland annat nedbryt-ning av matavfall kan de optimeras för att ge högre metanutbyten. För att kunna dra slutsatser om hur mycket metanpotential som förloras under lagring undersöktes i detta projekt hur lång tid det tog för matavfall att ta sig från hemmet där det uppkommer till en biogasanläggning. Undersökningen genomfördes i form av en serie telefonintervjuer där utvalda aktörer inom avfallsbranschen kontaktades, vilket resulterade i en genomsnittlig lagringstid.
För att undersöka hur mycket metanpotential som fanns matavfallet gjordes satsvisa utrötningsförsök. En känd mängd substrat stängdes in i en lufttät aska tillsammans med mikroorganismer så att en anaerob nedbrytning kunde ske. Metanproduktionen från askan mättes sedan för att se hur mycket som producerats.[7] För att kunna utvär-dera olika behandlingsmetoder för substrat kan försök i laboratorieskala utföras. I detta
projekt gjordes en lagringsstudie där färskt matavfall lagrades i plast- eller papperspåsar vid 6◦C eller 22◦C. Det var av stor vikt att det matavfall som användes i försöket var
re-presentativt för matavfall i Sverige. Därför skapades ett matavfallsrecept som grundades på tidigare studier från litteraturen. Nedbrytningen i det lagrade matavfallet övervakades genom provtagningar på materialet i påsarna under lagringsförsökets gång.
Det kommunalägda företaget Tekniska verken AB levererar tjänster och produkter som exempelvis el, vatten, tele, sophämtning och biogas till privatpersoner och företag i Lin-köping. Tekniska verken har satsat mycket resurser på produktion samt forskning och utveckling inom biogasområdet. Rötningsanläggningen i Linköping är just nu Sveriges största biogasanläggning sett till producerad mängd biogas[8]. Matavfall som rötas vid Tekniska verkens biogasanläggning i Linköping kommer från ett ertal kommuner i Sve-rige och Norge.
1.2 Syfte
Syftet med detta projekt var att undersöka om olika lagringstider, påsmaterial och tem-peratur vid lagring påverkar metanpotentialen hos matavfall från hushåll samt hur stor denna påverkan i så fall är.
1.3 Forskningsfrågor
När projektet var avslutat skulle följande frågor vara besvarade:
• Hur lång tid för yter mellan uppkomst och behandling av matavfall? • Vad består matavfall från hushåll i Sverige av?
• Försvinner delar av metanpotentialen under tiden från att matavfall slängs till att matavfallet nådde en biogasanläggning?
• Skiljer sig metanpotentialen åt mellan matavfall som lagrats i plast respektive papperspåse vid i övrigt identiska förhållanden?
• Skiljer sig metanpotentialen mellan matavfall som lagrats i rumstemperatur (22◦C) respektive kylt (6◦C) vid i övrigt identiska förhållanden?
1.4 Avgränsningar
Projektets avgränsningar är att studera enbart tre lagringsfaktorer, nämligen: • Lagringstid: 3, 7, 10, 14 och 21 dagar
• Påssort: Plast och papper
Teori
Detta kapitel innefattar en beskrivning av det nuvarande kunskapsläget som detta projekt och dess metoder grundades på.
2.1 Biogas
Biogas är en blandning av främst metan och koldioxid som bildas då organiskt material bryts ner anaerobt (utan närvaro av syre). Detta sker till exempel naturligt i deponier och i mag- tarmkanalen hos djur och insekter[9]. Då biogas framställs industriellt sker processen vanligtvis i stora tankar där den kan övervakas och styras.
2.1.1 Substrat
Det nns många biologiska material (substrat) som kan brytas ner anaerobt för att producera biogas. Vanligast förekommande i Sverige är slam från reningsverk, gödsel från lantbruk, avfall från industrier och matavfall från hushåll, restauranger och butiker. [10] Det förekommer även odling av grödor med syfte att rötas till biogas[11].
2.1.2 Anaerob nedbrytning (rötning)
I rötkammaren sker anaerob omvandling av biologiskt material till biogas. Omvandlingen är en nedbrytningsprocess som sker tack vare samverkan mellan ett ertal typer av
mikroorganismer. För att illustrera nedbrytningsprocessen delas den upp i olika steg, vilka de nierats utifrån de mellanprodukter som bildas. Som synes i gur2.1rör det sig om i huvudsak fyra steg (hydrolys, fermentation, acetogenes och metanbildning) där olika specialanpassade mikroorganismer är involverade i varje steg. Kontrollerad rötning kan ske vid olika temperaturer men vanligast är meso la (35-42◦C) eller termo la (45-60◦C)
temperaturer[1].
Figur 2.1: Översiktlig bild över de fyra huvudstegen i den anaeroba nedbrytnings-processen. Modi erad bild med inspiration från Hansson (2011)[12]
I det första steget, som kallas hydrolysen, bryts det organiska materialets största bygg-stenar kolhydrater, fetter och proteiner ner till mindre beståndsdelar nämligen socker, fettsyror respektive aminosyror. De mindre molekylerna kan tas in i mikroorganismerna genom cellmembranet, vilket är nödvändigt för de kommande stegen. I hydrolysen del-tar bakterier som utsöndrar proteiner, så kallade extracellulära enzymer, vilka deldel-tar i nedbrytning utanför cellen. Som andra steg sker den så kallade fermentationen där de nu lösliga molekylerna tas in i cellerna och bryts ner ytterligare till fettsyror, alkoholer, vätgas, koldioxid och acetat. Många av de mikroorganismer som deltar extracellulärt i hydrolysen är även aktiva intracellulärt i fermentationen. Från fettsyror och alkoholer sker ytterligare nedbrytning i efterföljande steg som kallas acetogenesen. Som namnet avslöjar bildas här bland annat acetat men även koldioxid (CO2) och vätgas (H2). Slutligen sker
Det är viktigt att upprätthålla en balanserad process genom alla dessa steg när biogas ska framställas. Om något steg i processen överbelastas kan komplikationer som pH-förändringar och andra stressfaktorer hindra mikroorganismerna från att arbeta på ett eektivt sätt.[1]
Då substrat av olika slag kommer till en biogasanläggning måste det oftast genomgå vissa behandlingar innan det kan föras över till rötkammaren för nedbrytning. Exempel på vad som kan behöva göras med matavfall är:
• Utsortering av föroreningar • Malning av stora bitar • Spädning
• Hygienisering
En vanlig struktur på en rötningsanläggning presenteras i gur2.2. Substratet passerar förbehandlingsanläggningen, hygieniseringtanken, rötkammaren och gasuppgraderingen för att sedan bli slutprodukterna metan och biogödsel. Biogasen från rökammaren inne-håller ungefär 55-70% metan och 30-45 % koldioxid.[12] Ofta används en uppgraderings-anläggning för biogasen där koldioxid avskiljs från gasen så att energiinnehållet ökar och gasen kan användas som fordonsbränsle med en metanhalt på cirka 97%. Det fasta ma-terial som kommer ut från rötkammaren efter att ha rötats har ett högt mineralinnehåll och lämpar sig bra som gödsel.[1] Det samlas därför upp och tas till vara och sprids som fullgödselmedel. Ett certi eringssystem kallat SPCR120[15] har utvecklats för att göra det enklare att avsätta det biogödsel som produceras vid biogasanläggningarna.
2.1.3 Förbehandling av matavfall
För att använda matavfall från hushåll som substrat i en biogasanläggning krävs nför-delning av materialet, utsortering av föroreningar och spädning[16]. Ett exempel på hur en förbehandlingsanläggning kan se ut presenteras i gur 2.3 som visar en schematisk bild av förbehandlingen på Åby biogasanläggning i Linköping. In i förbehandlingsanlägg-ningen går substrat och spädvätska och ut kommer matavfallsslurry och rejekt bestående av plastpåsar och andra föroreningar.
Figur 2.2: Schematisk bild över en generell biogasanläggning. Lokala skillnader kan förekomma vid olika anläggningar.
Figur 2.3: Översiktlig schematisk bild över hur förbehandlingen vid biogasanlägg-ningen i Linköping ser ut. Något omgjord version av bild från presentation av Tekniska
Kvarn/Påsrivare
Partikelstorleken på substratet får inte vara för stor (<10 mm) när nedbrytning med mikroorganismer ska ske[7]. Därför utförs sönderdelning av matavfallet som ett steg under förbehandlingen. I fallet med plastpåsar är det även viktigt att riva sönder påsarna för att i senare steg avlägsna dem från matavfallet. [17]
Magnetavskiljare
För att undvika metallobjekt i matavfallet sker en magnetisk separation. Det malda matavfallet färdas då på ett transportband under en stark magnet som drar åt sig even-tuella metallföremål. [17]
Separering av föroreningar
Förutom magnetiska föroreningar nns även andra oönskade material som plast, sten och grus som behöver sorteras ut från matavfallet. I Sverige sker denna sortering på olika sätt vid olika anläggningar och teknikval och processer beror bland annat på vilken insamlingsmetod (pappers- eller plastpåse) som använts. Plastpåsarna behöver sorteras ut medan papperspåsarna kan följa med in i rötkammaren. [18]
Spädning
Innan förbehandling har matavfall en TS(Torrsubstans)-halt på cirka 30% vilket gör att det måste spädas för att kunna hanteras vidare i processen. Spädning sker oftast med vatten men även processvatten och kasserad vätska från olika livsmedelsindustrier kan användas. Att matavfallet späds är viktigt för att pumpar och omrörare som anpassats till vätska ska kunna fungera. [8]
Hygienisering
För att erhålla en certi erad gödsel, kallad biogödsel, efter rötning krävs hygienisering (avdödning av skadliga mikroorganismer) av substrat. Detta görs oftast genom upphett-ning av substratet till en viss temperatur (min 70◦C) under en timme innan det kommer
till rötkammaren. Om rötningsprocesen skett vid tillräckligt varm (termo l) tempera-tur behövs dock ingen ytterligare hygienisering. Certi eringen ställer även krav på vilka halter av bakterier som får förekomma i biogödsel. [15]
Nedbrytningsgynnande förbehandling
Ofta tillämpas nedbrytande förbehandling av substrat i någon form för att mikroorgan-simerna snabbare ska kunna börja producera biogas. Tanken med detta är att det ska brytas ned i mindre beståndsdelar innan substratet kommer till rötkammaren. Möjliga sätt att förbehandla substrat är med värme, extra malning, mikrobiologiskt (förhydrolys) eller kemiskt med hjälp av till exempel syrabehandling. [19]
2.2 Karakterisering och recept
Kompositionen av matavfall från hushåll har studerats i ertalet undersökningar. [20
22] Tillvägagångssättet i dessa studier var att utvärdera faktiskt matavfall från hushåll i så kallade plockanalyser. Insamlat matavfall från ett antal hushåll sorterades då för att skapa en bild av vad matavfall generellt bestod av. Vanligt var att sedan presentera olika kategorier av matavfall (mejeri, frukt/grönt, kött/ sk etc.) samt hur stor andel av den totala vikten som utgjordes av matavfallskategorin. WRAP och EMMA är två studier som kommer från England respektive Norge som har ovan nämnda upplägg[21,22]. Även en Svensk studie från Smedlund et. al (2009)[20] har använt sig av denna metod. Resultat från de tre studierna visas i gur 2.4. I Smedlund et. al utformades även ett recept som nns beskrivet i appendixA.1.
I en studie av Davidsson et. al (2011) från Svenskt Gastekniskt Center AB (SGC) un-dersöktes olika system med avfallskvarnar med syftet att testa hur de fungerade för utsortering av matavfall. Två recept togs då fram, ett för matavfall från storkök och ett för matavfall från hushåll[23]. Recepten hade 12 ingredienser som baserades på studi-er av matavfallets innehåll av näringsämnena fett, protein och kolhydratstudi-er. Som stan-dardvärden användes en dansk studie av Miljöstyrelsen (2004) där analyser gjorts av näringsinnehållet i matavfall från storkök[24]. I tabell 2.1presenteras näringsinnehållet från respektive recept från denna studie. Receptet togs fram för att passa tester av av-fallskvarnar och har därför anpassats för detta i vissa avseenden, bland annat innehöll
(a) (b)
(c)
Figur 2.4: Resultat från studier av matavfall från hushåll uppdelat i olika livsme-delskategorier från (A) WRAP (2009)[21], (B) EMMA (2010)[22] och (C) Smedlund et
al. (2009) [20]
receptet nötskal för att testa hur det påverkade malningen. Animaliska produkter som sk och kött uteslöts ur receptet som eftersom det ansågs påverka arbetsmiljön under försöket negativt. Inga plockanalyser av verkligt matavfall studerades när receptet togs fram.
Tabell 2.1: Tabell över näringsinnehåll i matavfallet tre tidigare studier. Sirorna anger procent av den totala vikten.
Innehåll Miljöstyrelsen 2004 [24] Hansen et al. 2007 [25] Smedlund et.al 2009 [20]
Aska 10,2 11,8 9,1
Fett 20,4 13,9 11,1
Protein 25,6 14,9 17,5 Kolhydrater 43,9 59,4 62,3
Det nns även en mer omfattande studie från Hansen et. al 2007 på just näringsinnehållet i matavfall från hushåll (tabell4.1), även denna från Danmark [25]. Skillnader mot den tidigare studien av Miljöstyrelsen var att en betydligt mer omfattande undersökning av matavfall från hushåll gjorts i era städer och tider på året. Denna undersökning har det dock inte gjorts något matavfallsrecept utifrån. Inga livsmedelskategorier har heller speci cerats.
Ett matavfallsrecept fanns beskrivet i en studie av Smedlund et.al (2009) där torrkon-servering av matavfall undersökts[20]. Som en delstudie i det projektet togs ett standar-drecept med 29 ingredienser för matavfall från hushåll fram (se appendixA.1). Ett dygn efter att sophämtning skett i ett område i Göteborg samlades matafallet från samma område in och analyserades. Detta för att få ett så färskt matavfall som möjligt. De in-samlade papperspåsarna innehållandes matavfall vägdes och besiktades först innande de öppnades. Innehållet spreds ut på brickor, fotograferades och sorterades i olika kategorier som vägdes. Det som undersöktes var:
• Kategorier och mängd av matavfall
• Matavfallets kondition, som hur kletigt, sammanhängande eller torrt materialet var • Lukt
• Typer och mängder av felsorterat material
Resultatet från denna plockanalys användes sedan för att komponera ett recept innehål-lande olika livsmedel som går att få tag på i vanliga mataärer oavsett säsong.
2.3 Lagring av matavfall
Redan i köket där matavfallet uppkommer kan materialet börja förändras och ämnen avgå. Förutom vatten som dunstar kan även andra ämnen avgå från matavfallet, till exempel yktiga fettsyror (VFA), koldioxid, alkoholer, sul der och terpener. Detta är ämnen innehållandes kol och väte som är byggstenar i metan vilket leder till att en del biogaspotential i materialet går förlorad.[26]
2.3.1 Lagringstid, temperatur och påstyp
En längre lagringstid och en högre temperatur ger generellt mer nedbrytning. Allt för varm temperatur avdödar dock mikroorganismerna som bryter ner matavfall. Tillgång till syre och avdunstning av ämnen har påverkan på hur organiskt material bryts ner.[27]Något som har stor betydelse för både syretillgång och avdunstning är påstypen där plast är mindre genomsläpplig än papper.
2.3.2 Insamlingssystem för matavfall
Ansvaret för att samla in avfall i Sverige ligger på kommunnivå. Hur avfall samlas in är upp till varje kommun att ta beslut om. Detta leder till att insamlingsmetod och sophämtningsintervall ser olika ut från kommun till kommun. En illustrering av hur hanteringskedjan för matavfall kan se ut från att det uppkommer tills det kommer till en biogasanläggning illustreras i gur 2.5. Stegen som är beskrivna i underkant på bilden motsvarar alla ett förfarande där matavfallet kan uppehålla sig under olika långa perioder beroende av vilket insamlingssystem och vilka hämtningsintervall som tillämpas.
Figur 2.5: En illustration över hur transportkedjan för matavfall kan se ut. Bilden är inspirerad av en presentation från FoU Biogas på Tekniska verken AB.
Kartläggningar av avfalls öden i samhället är ett område som det läggs ner mycket ar-bete på. Avfall Sverige publicerar årligen rapporten Svensk Avfallshantering där en beskrivning av föregående års avfallsströmmar redovisas[3]. I publikationen från 2014 nns uppgifter på hur mycket matavfall som uppkom i Sverige och hur det togs omhand. Det nns dock inga uppgifter om hur lång tid som förlöper mellan matavfallets uppkomst i hushållet till behandling sker vid en rötningsanläggning. Avfall Sverige har också publi-cerat rapporten Hushållsavfall i siror[28]. I rapporten redovisades uppgifter om vilka insamlingssystem kommuner valt att använda sig av. Av 140 kommuner där matavfall samlades in var det 96 stycken som använde separata kärl, 17 fyrfackskärl, 17 olikfärgade plastpåsar och 10 som hade andra system.
Då matavfall uppkommer i hushållen sker oftast en lagring i köket innan påsen bärs ut till sopkärlet. I Ternald (2010) beräknas denna tid vara 2 dagar för villor och 3 dagar för erfamiljshus. Detta grundade sig i att det bor er personer per hushåll i villa vilket betyder mer matavfall och frekventare tömning från köket[6].
2.3.3 Utvärdering av nedbrytningsgrad Flyktiga fettsyror (VFA)
VFA bildas under nedbrytning av organiskt material. Till VFA räknas syrorna heptansy-ra, iso-hexansyheptansy-ra, hexansyheptansy-ra, iso-valersyheptansy-ra, valeriansyheptansy-ra, smörsyheptansy-ra, iso-smörsyheptansy-ra, propi-onsyra och ättiksyra. Som namnet indikerar är dessa syror yktiga och avgår därför från material om möjlighet nns. I både aeroba och anaeroba miljöer bildas det syror som delsteg i nedbrytningen av längre kolkedjor.[27]
Kväve
Kväve används som indikator för nedbrytning av organiska material. När proteiner i organiskt material bryts ner biologiskt så bildas ammoniumjoner.[27] Kväve kan både mätas som den totala mängden kväve och som mängden kväve i ammoniumform. En minskning i det totala kvävet tyder på att kväve avgått i form av ammoniak och ökning i ammoniumkväve tyder då på att nedbrytning skett i materialet. Ammoniak, som står i jämvikt med ammonium, bidrar också till att pH-värdet stiger då det är basiskt. pH
pH ger en indikation på hur protonaktiviteten ser ut i ett material. Det kan ge information om vad som händer med materialet vid, som i detta fall, nedbrytning. Att dra slutsatser om nedbrytning endast utifrån pH är svårt då det kan bero på många olika förändringar i materialet, till exempel bildning av VFA (surt), ammoniak (basiskt). Då pH relateras till andra analyser kan det bidra till att förstärka resultattolkningen. Ett högt VFA-värde som till exempel kan kopplas till ett lågt pH-värde ger en starkare resultatgrund och på samma sätt när en hög mängd ammoniumkväve som kopplas till ett högt pH.
2.3.4 Metanpotential
Ett mått på hur tjänligt ett substrat är i den anaeroba rötningsprocessen kan beskri-vas i termer av hur mycket metan det producerar. I litteraturen nns i huvudsak två
försöksmetoder då metanpotential testas hos något utvalt substrat genom laboratorie-försök. Den första varianten är en semikontinuerligt matad reaktor där substrat tillförs 5-7 gånger per vecka som tillåts producera gas under en längre tid.[29] Den andra va-rianten är satsvisa utrötningsförsök som beskrivs under nästa rubrik och är den metod som använts i detta projekt.
2.3.5 Satsvisa utrötningsförsök
Karaktäristiskt för satsvisa utrötningsförsök är att reaktorn/kärlet fylls med mikroorga-nismer och substrat endast en gång som sedan får rötas ut tills substratet är förbrukat och gasproduktionen upphört.[7] Vid Tekniska verken i Linköping och i detta projekt används ett system för satsvisa utrötningsförsök kallat AMTPS II som tillverkas av Bi-oprocess Control Sweden AB.
2.3.6 Fosfor
Fosfor avgår inte då organiskt material bryts ner biologiskt och är alltså inert. Detta gör att det lämpar sig bra att använda för kontrollmätningar. Om fosforhalten förändras kraftigt under lagringstiden så är något troligtvis fel med spädningar eller beräkningar. 2.3.7 Liknande studie
Viktreducering, energiförlust och gasemissioner vid olika insamlingssystem av matavfall från hushåll
En studie från Ternald (2010)[6] har jämfört olika insamlingssystem av matavfall. Matav-fallet som användes i denna studie var komponerat enligt receptet från Smedlund (2009)[20]. Först simulerades en förvaring i köket (3 dagar för erfamiljshus och 2 dagar för villor) och påsar (papper, plast och bioplast) innehållande matavfall låg då vid 22◦C i för
påsty-pen avsedd behållare. Matavfall fylldes på i påsarna en gång varje dag. Därefter yttades matavfallspåsarna till sopkärl (varannan dag för villor och var 3:e dag för erfamiljshus) Provpåsar togs ut efter lagring i köket samt efter lagringsperioden i sopkärl och ana-lyserats för vikt, TS, VS(organiskt material), kol, kväve och pH. Gasemmisioner från påsarna analyserades vid tre tillfällen och satsvisa utrötningsförsök utfördes i slutet av
varje lagring (7 eller 14 dagar). Allt matavfall som lagts i sopkärlet maldes då och an-vändes som substrat i satsvisa utrötningsförsök. Temperaturen som valdes under lagring var 18 ◦C och beskrevs som en kompromiss mellan årstider och geogra sk placering i
Sverige, med lite dragning åt sommarårstid i mellansverige.
Slutsatsen från studien var att koldioxid avgick från pappåsar i högre grad än från plast-påsar. Detta antogs bero på en högre nedbrytningshastighet för matavfall i pappåsarna samt den mer gynnsamma strömningen av gaser genom påsen. En högre temperatur iakttogs i de kärl där papperspåsarna förvarades än de där plastpåsarna låg vilket re-laterades till större nedbrytning i papperssystemet enligt författarna. Författaren ansåg att ökad nedbrytning var en positivt och gav minskad lukt då nedbrytningen kommit lite längre och en mildare jorddoft börjat smyga sig in. En del av studiens slutsatser handlar också om att papperspåsar ger en högre andel insamlat matavfall per hushåll. Detta tros bero på att papperspåsen uppfattas som mer pedagogisk eftersom den i sig själv är nedbrytbar. Eftersom vatten avgår från papperspåsen gör det att det blir mindre vikt att transportera. Vattenhalten i plastpåsarna gick upp under lagring vilket tros bero på att organiskt material brutits ner till koldioxid och vatten som sedan stannat i påsen. Metoddiskussion
Då ovanstående studie jämfördes med några andra studier där matavfall lagrats uppstod en del frågor. pH-värdet i matavfallet var redan från början av lagringstiden 4,2 vilket är lägre i jämförelse med två andra studier där pH initialt låg på 4,7-6,1 för matavfall från hushåll[30, 31]. Den mikrobiologiska aktiviteten bör vara väldigt låg vid ett pH på 4,2[30]. Trots det låga pH-värdet avgick 10-25% av VS från påsarna. Resultaten från de satsvisa utrötningsförsöken visade en låg metanpotential (400-450 ml/gVS) och en låg metanhalt (ca 50%) jämfört med de siror som redovisas i SGC:s substrathandboken (460-600 ml/gVS och 63% metanhalt)[16]. En förklaring till de låga pH-värdena kan vara att receptet innehåller väldigt mycket citrusfrukt[31].
Mängden insamlat matavfall för de olika påssorterna beräknades med korrigeringar för vikten av det vatten som i större mängd har avgått från papperspåsarna jämfört med plastpåsarna. Däremot har samma korrigering inte gjorts då beräkningar av mängden producerad metan gjorts. Då anges metanproduktionen istället i volym per hushåll och
år eller i volym per gram VS. Det hade varit önskvärt att få reda på volymen metan per kg färskt matavfall för de olika systemen.
2.3.8 Konservering
I litteraturen nns en del faktorer som visats ha en konserverande eekt på organiskt ma-terial. Med det menas olika omständigheter eller behandlingar som gör att nedbrytning i matavfallet bromsas eller stoppas helt.
Spontan syrabildning gör att pH-värdet sjunker i matavfall som får ligga någorlunda tillslutet (anaerobt) har konstaterats av bland andra Malmén et al. [30] Det sjunkande pH-värdet beror på närvaro av syrabildande mikroorganismer som bildar exempelvis VFA och mjölksyra. Att pH sjunker gör i sin tur att andra mikroorganismer som bryter ner avfallet hämmas och en konservering sker. Detta är samma process som sker då ensilering av vallgröda tillämpas för att konservera djurfoder[32].
I en rapport där torkning av matavfall har undersökts som en möjlig lösning på lukt och transportproblem har det framkommit att torkning även har en konserverande eekt på avfallet[6]. Dock krävs dock att nästan allt vatten avgår för att uppnå en fullstän-digt konserverande eekt. En av fördelarna med det torkade avfallet är minskad lukt. När pH-värdet sjunker i fuktigt avfall tilltar nämligen odören i intensitet. Det som har identi erats som orsaken till lukten är yktiga fettsyror men det är bara vissa VFA, som smör- och valeriansyra, som har kunnat sättas i samband med odör. En annan fördel med torkat avfall är att det är lättare och därför blir mer bränsleeektivt att transportera [31].
Metodbeskrivning
I detta kapitel avhandlas vad som använts och vad som gjorts för att producera resultaten som projektet levererar. Metoderna består av litteratur-, intervju- och experimentella studier.
3.1 Karaktärisering och recept
En viktig del av denna studie var att ta fram ett standardiserat recept på matavfall från hushåll i Sverige som kom så nära verkligheten som möjligt. Detta gjordes genom att väga samman tidigare publicerad undersökningar för att få ett så brett underlag som möjligt. Att göra egna fältstudier bedömdes som för omfattande och tidskrävande för att innefattas av detta projekt. Vilket matavfall som slängdes i hushållen förväntades vara olika beroende bland annat på hushållets storlek, ekonomiska situation, geogra ska läge. Det recept som användes som grund för receptet som utformades i detta projekt kom från Smedlund et. al (2009), vilket var baserat på en plockanalys i Göteborg [20]. Några väl grundade ändringar gjordes, vilket resulterade i ett representativt recept för matavfall från hushåll i Sverige. Då inga ytterligare studier från Sverige fanns att tillgå jämfördes receptet istället med ett antal studier från andra europeiska länder (Norge, Danmark och England) [21,22,24].
Näringsinnehåll, då det inte redan fanns angivet i studierna, beräknades med databasen över näringsinnehåll i olika livsmedel enligt Livsmedelverket[33]. Med hjälp av databasen
kunde näringsinnehållet i de matvaror som fanns i receptet i Smedlund et.al (2009) beräknas och summeras. Dessa värden jämfördes sedan med näringsinnehållet i matavfall från tidigare studier. De studier som användes i jämförelsen var två danska studier som studerade matavfall från hushåll.[24,25]
I litteraturen fanns som tidigare nämnts undersökningar där matavfall från hushåll analy-serades och delades upp i olika mindre speci cerade kategorier. Resultatet presenterades som respektive kategoris andel av den totala vikten. De två undersökningar som användes som jämförande studier till Smedlund et. al (2009)[20], med avseende på dessa kategorier, var WRAP och EMMA[21,22]
3.2 Lagring av matavfall
3.2.1 Uppvägningar
Receptet med en sammanställning av vad som vägdes upp i varje påse och hur det tillreddes nns i appendixA.2, där varje påse vägde 1kg. Vågen som användes vid upp-vägningen av matavfallet i påsarna var inte korrekt kalibrerad. Detta upptäcktes efter att invägningarna i receptet skett. Detta resulterade i att det vägts upp 0,2% för mycket. Detta kompenserades för i efterhand genom division med faktorn 1,002.
Vid invägningen av matavfallet vägde vissa påsar av okänd anledning några gram ifrån målvikten på 1000g. I en av påsarna var matavfallsvikten till exempel 193g över målvik-ten. En kompensationsfaktor beräknades därför för att senare kunna skala resulten så att de baseras på 1000g matavfall från början. Denna faktor multiplicerades sedan med vikten av matavfallet efter lagring. För beräkningar och rådata se appendixC.
När påsarna fyllts med matavfall förslöts de, med dubbelknut för plastpåsarna och ihoprullning av papperspåsarna. Lagringen utfördes genom att påsarna med matavfall placerades i plastlådor med hål borrade i sidorna ( gur3.1). Lådorna placerades sedan kylt (6◦C) eller i rumstemperatur (22◦C). Hålen gjorde det möjligt för gas att avgå
sam-tidigt som påsarna med matavfallet inte låg för ventilerat. Målet med behandlingen var att i så stor utsträckning som möjligt efterlikna förhållandena i en soptunna.
Figur 3.1: Lagring i dragskåp vid 22◦C.
3.2.2 Försökssparametrar
Tabell 3.1delger en sammanställning över hur matavfallet lagrades under försöket samt vilka benämningar de olika proven tilldelats. Totalt bereddes 22 påsar, varav 11 var plastpåsar och 11 var papperspåsar.
3.2.3 Provberedning
När en lagringsperiod avslutades hämtades lådan innehållande den påse som skulle ana-lyseras från kyl- eller dragskåp. Låda och påse vägdes och vikten noterades. Därefter mixades hälften av påsens innehåll ner tillsammans med spädvatten i fem minuter. Se-dan mixades även den andra halvan matavfall med spädvatten på samma sätt. Som sista steg i sönderdelningen blandades matavfallsslurryn ordentligt och mixades ytterligare fem minuter. Vattnet krävdes för att göra det möjligt att mixa avfallet och skapa en homogen
Tabell 3.1: Sammanställning över hur de olika påsar som ingick i lagringsdelen skiljde sig åt med avseende på lagringstid, påstyp, och temperatur samt hur de benämndes i försöket och i rapporten. Kall-PA betyder kallt lagrad papperspåse, Varm-PA = varmt lagrad papperspåse, Varm-PL = varmt lagrad plastpåse och Kall-PL = kallt lagrad
plastpåse.
Påse nr Lagringstid [dagar] Påstyp Temperatur [◦C] Benämning
0 0 Papp - -1 3 Papp 6 Kall-PA 2 7 Papp 6 Kall-PA 3 10 Papp 6 Kall-PA 4 14 Papp 6 Kall-PA 5 21 Papp 6 Kall-PA 6 3 Papp 22 Varm-PA 7 7 Papp 22 Varm-PA 8 10 Papp 22 Varm-PA 9 14 Papp 22 Varm-PA 10 21 Papp 22 Varm-PA 11 3 Plast 22 Varm-PL 12 7 Plast 22 Varm-PL 13 10 Plast 22 Varm-PL 14 14 Plast 22 Varm-PL 15 21 Plast 22 Varm-PL 16 3 Plast 6 Kall-PL 17 7 Plast 6 Kall-PL 18 10 Plast 6 Kall-PL 19 14 Plast 6 Kall-PL 20 21 Plast 6 Kall-PL
matavfallsslurry[34]. All mixning gjordes på samma sätt vid varje uttag av provpåsar för att göra substraten likvärdigt homogena. När det avfall som lagrats i pappåsar tillreddes mixades själva påsen ner tillsammans med matavfallet. Detta eftersom påsen var kladdig, vilket gjorde det svårt att få med allt material från matavfallet om påsen skulle skiljas ut. Plastpåsen gick att skölja av så där uppstod inte samma problem.
3.2.4 Provförvaring
Efter mixningen hälldes matavfallsslurryn i fyra stycken 0,5 l plast askor varav tre frystes ner i väntan på rötningsförsöken och en sparades för laboratorieanalyser. Nedfrysningen skedde för att stoppa nedbrytningsprocessen så att simultana utrötningsförsök senare kunde ske på material som lagrats i olika tid vid olika temperatur.
3.2.5 Analyser av lagrat matavfall
Vid avslutad lagring gjordes följande kemiska analyser på matavfallsslurryn: • TS/VS (Torrsubstans/organiskt material)
• COD (Kemisk syreförbrukning) • pH
• Totalkväve • Ammoniumkväve
• VFA (Flyktiga fettsyror) • Totalfosfor
Alla laboratorieanalyser utom TS/VS, pH och COD utfördes av Tekniska verkens certi- erade vattenlaboratorium i Linköping. TS/VS gjordes i triplikat medan övriga analyser gjordes med singelprover. TS/VS och pH utfördes av författaren till denna rapport och COD analyserades av Euro ns Environment Testing Sweden AB i Lidköping.
Spädningar
De analysresultat som erhölls från Tekniska verkens vattenlaboratorium och Euro ns angavs i mg analyserat ämne per kg baserat på inlämnat material. Därför krävdes att de spädningar som gjordes under lagringsförsöket togs med i beräkningarna. Totalvikten av matavfallsslurryn, där matavfallet kompenserats till 1000g från början, multiplicerat med analysvärdet från laboratoriet gav då den totala mängden analyserat ämne i provpåsen. Detta värde angavs sedan i graferna i resultatkapitlet. För beräkningar och rådata se appendix C.
Organiskt material (TS och VS)
TS- och VS-analyserna utfördes enligt Svensk Standard[35]. För TS torkades matavfalls-slurry i värmeskåp (Termak TS 8056, Bergen, Norge) i 22 timmar vid 105◦C. Den fasta
delen av provet torkades sedan i ugn (Nabertherm, Lilienthal, Tyskland) i 2 timmar vid 550◦C. VS beräknades i procent av TS och TS i procent av matavfallsslurryn. Till varje
prov togs ca 10g material ut från slurryn. Organiskt material (COD)
COD-analyserna skickades till Euro ns Environment Testing Sweden AB i Lidköping. De utförde analysen enligt Svensk Standard[36]. För analys togs 3 ml (3g) prov ut från matavfallsslurryn.
pH
pH mättes vid 25◦C enligt Svensk Standard[37]. pH-metern (WTW level 2, Inolab,
Tyskland) med elektrod(Polilyte Pro 120, Hamiton, Schweiz) kalibrerades med en tre-punktskalibrering och testades med ett referensprov vid varje mätning. Till varje prov-tagning togs minst 25g prov ut från matavfallslurryn.
VFA
Metoden som användes för att analysera mängden VFA i proverna är baserad på en artikel av S. Jonsson, H. Borén[38]. Proverna centrifugerades(Centrifuge 5810 Eppendorf, Tyskland) vid 11 000 rpm i 20 minuter och supenatanten ltrerades genom ett 0,45 µ m lter (Multigrade Glass ber lter). Analysen utfördes på en GC-FID (Perkin Elmer, Clarus 500, USA) med en kolonn (packed Elite-FFAP column, Parkin-Elmer, USA). Provmängd från matavfallsslurryn var 10 gram.
Kväve
Tecators metod (AN 300 SV version 2) användes för att analysera totalt kväve enligt Kjeldahl. För ammoniumkväve användes metoden FOSS Tecators analysmetod för Kjel-tec, Application Sub Note 3502. Instrumentet som avändes hette Kjeltec 8200 (Hilleröd, Danmark). För båda analyserna var provmängden från matavfallsslurryn 0,5 g.
Fosfor
Fosfor analyserades enligt Svensk Standard[39]. För provtagningen togs 10g ut av matav-fallsslurryn. Analysen skedde me dhjälp av spectrofotometer (UV-1700, Shimadzu, Ja-pan).
3.3 Satsvisa utrötningsförsök
För att testa metanpotentialen i det lagrade matavfallet utfördes satsvisa utrötningsför-sök. Tre körningar gjordes med triplikat för varje substrat.
3.3.1 Experimentuppställning
AMTPS II kallades det system som användes i projektet och var ett system skapat av Bioprocess Control Sweden AB för satsvisa utrötningsförsök. Systemet ( gur3.2) bestod av tre enheter som var sammankopplade med slangar. Metanproduktionen övervakades av en dator som var kopplad till systemet. Två uppställningar av det beskrivna systemt fanns att tillgå på Tekniska verkens biogaslaboratorium.
Figur 3.2: AMTPS II-system för satsvisa utrötningsförsök. Enhet A består av ett vattenbad med sats askor där rötning sker. Koldioxidfällan i enhet B fångar koldioxid
och gasvolymmätaren i enhet C mäter den producerade gasen.
Enhet A (Sats askor i vattenbad)
Enhet A bestod av ett tempererat vattenbad innehållande 15 stycken 500ml glas askor i vilka substrat och mikroorganismer tillsattes. ( gur3.2) Flaskorna var tillslutna i toppen
med en gummitätning med tre genomföringar. Den första genomföringen användes för att kunna kvävgasspola och ta prover. I den andra genomföringen satt en gastät mekanisk omrörare som höll materialet i askorna blandat. Genom den tredje genomföringen gick den biogas som producerats vid rötningen och fortsatte vidare till enhet B ( gur 3.2). Enhet B (Koldioxidfälla)
Biogasen, innehållande mestadels metan och koldioxid, som producerades i askorna i enhet A leddes till de mindre askorna innehållandes lut i enhet B. Vid kontakt med luten löste sig koldioxiden snabbt och bildade natriumkarbonat och vatten. Ut ur koldi-oxidfällan ödade sedan ren metan.
Enhet C (Gasvolymmätare)
Den metan som lämnade koldioxidfällan gick vidare till enhet C där volymen gas mättes. Gasvolymmätaren byggde på deplacementsprincipen som räknade antal gånger (slag) som en känd volym metangas undanträngde en känd mängd vatten. Varje slag registre-rades av en dator.
3.3.2 Omrörning
Varje prov aska hade en egen mekanisk omrörare som bestod av en stav som via en genomföring i askans kork höll provvätskan i rörelse. Varje omrörare var sedan seri-ekopplad med styrning från en dator. Omrörningen skedde i intervall där den växlade mellan att vara påslagen i 20 minuter och avstängd i 2 minuter.
3.3.3 Temperatur
Prov askorna som användes till de satsvisa utrötningsförsöken stod nedsänkta i ett vat-tenbad med temperaturen 38,0◦C. Det var samma temperatur som i
rötningsanläggning-en i Åby där mikroorganismerna togs ifrån. Vattrötningsanläggning-enbadet kontrollerades av rötningsanläggning-en termostat som höll temperaturen på inställd nivå. Vattennivån i vattenbadet övervakades och vatten fylldes på vid behov.
3.3.4 Ymp
För att få med mikroorganismer som skulle sköta den anaeroba nedbrytningen av sub-stratet togs ymp från en fungerande rötningsprocess. Till detta projekt hämtades ymp från Tekniska verkens samrötningsanläggning vid Åby i Linköping. Ympen kunde skilja sig en aning åt från gång till gång med avseende på innehåll av vatten och organiskt material. Därför var det viktigt att mäta det organiska innehållet på samma sätt som för substratet med TS/VS(torrsubstans/organiskt innehåll)-mätningar. Detta genomförs också för att kunna dimensionera försöken så att förhållandet mellan ymp och substrat blev samma i alla försök. Målbelastningen i detta försök var ett förhållande mellan ymp och substrat på 2:1 på VS-basis. Erfarenheten med den ymp som användes på Tekniska verken har visat att belastning av ymp på 12 g VS/L substrat fungerar bra för att uppnå hög mätnoggrannhet och stabil process i AMPTS II. För att kunna dimensionera försöken gjordes en TS/VS-analys på ympen. Ympen hämtades till laboratoriet två dagar innan själva försöket skulle startas för utförande av TS- och VS-analyser. Detta gjordes även för att hinna avgasa ympen så att den skulle ge så lite bidrag till gasproduktionen som möjligt och den förvarades därför under omrörning vid 38◦C i en rötförsöksreaktor.[7]
3.3.5 Referens och internkontroll
Två triplikat som var med vid varje körning var referensserien och internkontrollen. För att få reda på hur mycket metan som producerades av själva ympen så kördes en provserie kallad referens där inget substrat tillsattes till röt askorna. Den gasproduktionen identi -erades som bakgrundsproduktion som inte hade något med nedbrytningen av substrat att göra. Resultatet från denna referensserie drogs därför bort från totala gasproduktionen i prov askor innehållandes substrat. [40]
För att kontrollera att allt var normalt med ympaktiviteten och näringsmedium användes en så kallad internkontroll. Den bestod av ett enhetligt substrat innehållandes cellulosa, olja, gelatin samt ymp och näringsmedium. Genom att sedan jämföra metangaspotenti-alen för internkontrollen med internkontroller från tidigare försök så var det möjligt att upptäcka avvikelser i ympens aktivitet eller andra fel i själva försöket. [40]
3.3.6 Uppstart
Dagen innan uppstart av de satsvisa utrötningsförsöken bereddes en fosfatbuertlösning med salt, vitaminer och spårämnen. Receptet på denna lösning var baserat på en tidigare studie av Karlsson et al.(1999) [41] Substraten hade under lagringsförfarandet redan karaktäriserats med avseende på TS och VS och med hjälp av dessa värden räknades sedan mängden substrat som skulle vägas upp ut. Alla prover förvarades i frys fram tills en dag innan användning då de togs fram för att tina långsamt över natten. Till koldioxidfällorna i enhet B tillreddes lut med koncentrationen 3M innehållandes pH-indikatorn thymolphtalein. Indikatorn visade med färgomslag då så mycket koldioxid löst sig i luten att upptagningsförmågan blev begränsad.
Samma dag som uppstarten skedde tillreddes internkontrollen genom beräkning och in-vägning av de fyra ingredienserna, stärkelse, cellulosa, gelatin och rapsolja. Förhållandet mellan dem var 1:1:1:1 på VS-basis med en förutbestämd belastning, 6 g VS/liter. Hur mycket som skulle vägas upp i varje aska beräknades utifrån TS- och VS-värdena hos ymp och substrat. Uppvägningen skedde med en noggrannhet på 0,1g. Det första som vägdes in var avgasat vatten samt buertlösning. Viktigt var att ymp tillsattes sist för att undvika att gasproduktionen skulle starta innan askorna förslutits. När ymp tillsatts och askorna förslutits spolades luft ut ur slangar och askor med hjälp av kvävgas, därigenom skapades en anaerob miljö. Efter kvävgasspolningen sattes askorna ner i 38◦C vattenbad i enhet A där slangar och omrörare kopplades in. Då allt var färdigt
startades omrörning och mätning av metanproduktionen. 3.3.7 Avslut
Utrötningsförsöket avslutades då metanproduktionen från matavfallet hade avstannat helt. Det vill säga då satserna med substrat inte längre avgav mer metan än referensserien som endast innehöll ymp och näringsmedium. Bedömning om när detta var uppnått gjordes utifrån metanproduktionskurvorna (appendixC.1).
3.3.8 Beräkningar
För att kunna jämföra resultaten från de satsvisa utrötningsförsöken beräknades gas-produktionen på två sätt. Från de satsvisa utrötningsförsöken beräknades resultatet i ml metan per g VS. Mängden VS beräknades ur matavfallsslurryns vikt multiplicerat med analysvärdena för TS och VS. Multiplikation mellan mängden VS och mängd me-tan dividerat med 1000g gav sedan total meme-tanproduktion per kilo färskt matavfall från början.
Multiplikation mellan mängden VS (okompenserat) och mängd producerad metan di-viderat med vikten på påsen efter lagring gav istället total metanproduktion per kilo matavfall då det kommer fram till biogasanläggningen. För beräkningar och rådata se appendix C.
3.4 Undersökning av insamlingssystem för matavfall
Denna del av projektet bestod av en intervjuundersökning för att kartlägga hur lång tid det tog för matavfall att ta sig från hushållet till en biogasanläggning. Uppgifter om detta krävdes för att tillsammans med metanpotentialundersökningarna kunna säga något om hur mycket som förlorades under transport, vilket kunde kopplas till projektmålen. 3.4.1 Intervjuer
Metoden som användes var kvantitativ undersökning med intervjuer av strukturerad typ, vilket var vanligt för att samla in kvantitativa data enligt Eliasson (2013)[42]. Intervju valdes eftersom det, förutsatt att intervjuaren ck kontakt med den tillfrågade, gav snab-ba och tydliga svar eftersom intervjuaren förtydliga frågan om så behövdes. Svaren blev också lättare att tolka då det hela tiden var intervjuaren som fyllde i intervjuformuläret, vilket gav svaren samma kodning (sätt att fylla i svaret). På detta sätt undveks kod-ningsproblem som ibland uppstår vid enkätundersökningar som fylls i av den tillfrågade. En strukturerad intervjumetod innebar att ett detaljerad frågeschema användes. Denna metod valdes då den var enklare att utföra och ställde mindre krav på intervjuaren samt lämpade sig bättre för att ta fram kvantitativ data. För att dokumentera intervjuer-na användes anteckningar vilket, enligt Eliasson (2013)[42], skulle fungera bra eftersom
intervjuerna både var korta och mycket strukturerade. Nackdelen var att det inte gick att citera ordagrant från intervjuerna men det bedömdes inte vara nödvändigt i detta projekt. Det var enligt Eliasson (2013)[42] viktigt att samla så många svar som möjlig och att fånga in alla grupper blande de tillfrågade. Urvalet av vilka som skulle intervjuas kunde närmast beskrivas som strati erat. Detta betydde att de tillfrågade kommuner-na/avfallsbolagen kom från olika grupper som de nierades efter påstyp och antal hushåll (mer om detta nedan). Det strati erade urvalet gjordes för att få med mindre men in-tressanta kommuner i undersökningen. [42] Frågorna som ställdes och svaren beskrivs i appendix B.
För att hitta de kommuner/avfallsbolag som skulle passa bra för detta projekt inter-vjuades Tekniska verkens bränsleanskaare, som jobbar med att skaa substrat till bi-ogasanläggningen i Linköping. Utifrån samtalet valdes fyra kommuner/avfallsbolag som rötar sitt matavfall i Linköping ut för att delta i intervjuundersökningen. Ytterligare ett renhållningsföretag (Vafab Miljö AB) som inte körde sitt matavfall till Linköping valdes ut att delta i undersökningen. Målet var att ta reda på hur länge matavfallet lagras från att det hamnade i hushållens sopkärl till det nådde en biogasanläggning. Kommu-nerna/företagen valdes utifrån vissa kriterier för att få en så bred bild som möjligt. En stor kommun (>50 000 hushåll) och en liten (<25 000 hushåll) som använde separata kärl och papperspåsar respektive gemensamma kärl och olikfärgade plastpåsar valdes. Utvalda deltagande kommuner/företag, antal hushåll och påstyp redovisas i tabell3.2.
Tabell 3.2: Intervjuade kommuner/företag i delstudien om insamlingsmetoder för matavfall.
Kommun Namn Företag Antal hushåll Påstyp
Linköping Bränsleanskaare Tekniska verken AB, avd. Energi - -Linköping Chef Tekniska verken AB, avd. Energi 72 000 Plast Nässjö Chef Nässjö Aärsverk AB, avd. Renhållning 13 900 Papper Motala/Vadstena Miljösamordnare Motala-Vadstena vatten- och avfallsnämnd 24 000 Plast Västmanlands kommuner Kvalitetsamordnare Vafab Miljö AB 129 000 Papper Norrköping Avfallsingenjör Norrköping Vatten och Avfall AB 66 000 Papper/Bioplast
Totalt 304 900
3.4.2 Beräkningar
Beräkningar nns i appendix B. Snittiden som matavfall låg i köket, i soprum/sopkärl eller vid omlastning räknades ut genom att dela tiden för hämtningsintervallen i två. Då skapades ett medelvärde för hur länge matavfallet uppehållit sig i just det steget. Det
är dock så att visst matavfall legat sedan dag ett efter förra hämtningen medan annat matavfall lagts i sopkärlet samma dag som nästa hämtning sker.
Resultat och diskussion
I detta kapitel presenteras och diskuteras de resultat som projektet producerade.
4.1 Karaktärisering och recept av matavfall
Receptet från Smedlund et.al (2009) byggde på matavfall från ett geogra skt avgränsat område som samlades in vid ett tillfälle.[20] Därför blev urvalet relativt smalt och det var svårt att dra säkra slutsatser om hur en påse matavfall i Sverige ser ut med denna studie som grund. För att få ett säkrare resultat skulle matavfall behöva undersökas vid upprepade tillfällen vid olika veckodagar och årstider eftersom konsumtionen förväntas skilja sig mycket utifrån dessa faktorer.
Från näringsinnehållet(tabell4.1) i receptet utformat av Smedlund et.al (2009) framgick att 62,3 % var kolhydrater Detta var högt jämfört med andra de andra studierna i tabell 4.1. Samtidigt var proteininnehållet lågt på 11,1% [24,43]. En väldigt stor del av matavfallet i receptet bestod av isbergssallad (10%) och apelsinskal (15%). Genom att justera ned dessa kolhydratrika ingredienser och istället öka andelen av mer proteinhaltigt kött och sk från 7,9 till 11,7% blev näringsinnehållet mer likt övriga studier. Därför beslutades att dra ner isbergsallad och apelsinskal till 3% vardera. På så sätt kom det justerade receptet att ligga mer i linje med näringsinnehållet i jämförande studier (tabell
4.1).
Tabell 4.1: Tabell över näringsinnehåll i matavfallet som användes i denna samt tre tidigare studier. Sirorna anger procent av den totala vikten.
Innehåll Miljöstyrelsen 2004[24] Hansen et al. 2007[25] Smedlund et.al 2009[20] Justerat recept
Aska 10,2 11,8 9,1 8,3
Fett 20,4 13,9 11,1 13,8
Protein 25,6 14,9 17,5 19,8
Kolhydrater 43,9 59,4 62,3 58,1
De resultat som framställs i tabell 4.1 visade att askhalten (oorganiskt material) var lägre i det justerade receptet än i de tidigare studierna. Detta kan bero på att de analy-serade riktigt matavfall innehållandes vissa föroreningar. I fetthalt och kolhydratinnehåll låg det justerade receptet närmare de två danska studierna än Smedlund et. al (2009). Proteininnehållet för de tre tidigare studierna hade ett medelvärde på 19,3% vilket var väldigt nära det justerade receptets 19,8%.
I Smedlund et.al (2009) var några föroreningar med, bland annat var jord, stjälkar och blad från blommor samt diverse papper med i receptet. Dessa bortsågs det ifrån i detta projekt eftersom det inte antogs ha någon nämnvärd inverkan på hur matavfallet beter sig under lagring. Däremot var en viss del hushållspapper med i receptet då detta visats bidra till biogasproduktionen[44].
I detta projekt beslutades att byta ut skbullar mot vanlig kokt vit sk. Detta gjor-des med motiveringen att skbullar hade ett väldigt annorlunda näringsinnehåll då de jämfördes med sk. Ren vit sk innehöll en väldigt stor andel protein men nästan inga kolhydrater eller fett medan skbullarna hade en låg andel och jämn fördelning mellan samma näringsämnen[33]. I ursprungsreceptet från Smedlund et.al (2009) fanns dessutom en hög andel skbullar jämfört med övriga produkter i kött-/ sk kategorin. Ytterligare en förändring gjordes med anledning av detta var att vikterna jämnades ut så att alla tre material under kött/ sk upptog lika stor vikt.
Sammanfattningsvis gjordes följande förändringar i receptet: • Minskning av isbergsallad och apelsinskal
• Ökning av kött/ sk
• Föroreningar undantaget en viss del hushållspapper togs bort • Fiskbullar byttes mot sk
(a) (b)
(c) (d)
Figur 4.1: Diagram som visar fördelningen hos matavfall från (A) Smedlund et. al(2009) [20], (B) WRAP (2009) [21], (C) EMMA (2010) [22] och (D) det justerade
receptet som användes i detta projekt.
WRAP[21], EMMA[22] och Smedlund et. al (2009) [20] jämfördes också med det justera-de receptet med utgångspunkt från justera-de speci cerajustera-de kategorierna frukt/grönt, kött/ sk, mejeri och bröd/bakverk. Uppgifterna i de olika studierna modi erades en del innan de kunde jämföras. Samtliga studier hade en del ospeci ka poster som matavfall, övrigt, felsorterat, etc. Eftersom innehållet i dessa inte var fullständigt redovisade för så slogs vikterna från dessa kategorier ut över resterande kategorier. Som redovisas i gur4.1så hade posten frukt/grönt minskat ordentligt efter justeringen.
Receptet från rapporten om avfallskvarnar från SGC[23] som utgick från analyser av näringsinnehåll av matavfall valdes bort på grund av:
• För få ingredienser för att vara representabelt för hushållsavfall
• Att bara titta på hushållsavfallets näringsinnehåll och inte på kompositionen ansågs inte vara tillräckligt
• En tydlig vinkling till försöken med avfallskvarnar vilket inte är intressant i detta fall
• Inget animaliskt material i receptet [23]
Receptet som togs fram och användes i denna studie bedöms vara väl grundat och re-presentativt för hur matavfall generellt ser ut i Sverige.
4.2 Karaktärisering av lagrat matavfall
I gurerna i detta stycke presenteras projektets resultat som fyra olika serier. Kall-PA var kallt lagrade papperspåsar, kall-PL som var kallt lagrade plastpåsar, varm-PA som var varmt lagrade papperspåsar och varm-PL som var varmt lagrade plastpåsar. De pa-rametrar som varierats var sådeles temperatur och påstyp. I kall-PL fanns inget värde för mätpunkten för sju dagars lagring, vilket orsakades av ett mixerhaveri som gjorde att det matavfallsprovet gick förlorat. Värt att nämna som en generell svaghet för matavfalls-slurry i denna studie är att det inte var en homogen vätska. Det fanns, trots mixningen, struktur kvar i provet i form av bitar, vilket gjorde det svårt att ta ut representativa delprov till de olika analyserna.
Rådata och beräkningar från laboratorieanalyser nns i appendix C. 4.2.1 TS och VS
I gur4.2redovisas mängd organiskt material (VS) i det lagrade matavfallet. Alla värden visas som gram per kg färskt matavfall för att kunna studera om någon avgång av organiskt material skett. Varm-PA tappade mest VS under lagringstiden, 43% av VS som fanns i det färska materialet hade avgått efter 21 dagar. För varm-PL sjönk mängden under de första sju dagarna men planade sedan ut under resterande lagringstid. I kall-PA syns en förlust under hela lagringstiden men betydligt mindre än i varm-PA. Kall-PL uppviasde ingen tydlig trend eller föränding i organiskt material.
VS som procent av TS uppmättes till som högst 96% och som lägst 93% med ett me-delvärde på 94,8% och skiljde sig därmed väldigt lite åt mellan de olika serierna samt
var stabilt inom serierna. Det överensstämmer med resultaten från lagringsförsöket som Ternald (2010) gjorde, där värdena låg stabilt kring 95% [6].
Figur 4.2: Mängden VS i matavfallet under lagringstiden för de olika påsmateria-len lagrade i kylskåps (6◦C)- respektive rumstemperatur(22◦C). Kall-PA betyder kallt
lagrad papperspåse, Varm-PA = varmt lagrad papperspåse, Varm-PL = varmt lagrad plastpåse och Kall-PL = kallt lagrad plastpåse. Mätningarna är gjorda i triplikat och
felstaplarna visar standardavvikelsen.
Vattenmängden förändrades mycket lite i kall-PA, kall-PL och varm-PL, däremot sjönk den kraftigt i varm-PA dag 10-21( gur4.3). Totalt sjönk vatteninnehållet i varm-PA 46% under lagringsförsöket. Mängden VS i de olika serierna ligger stabilt i kall-PA och kall-PL men sjunker kraftigt med lagringstiden i varm-PA och mindre kraftigt, men märkbart, i varm-PL( gur4.3). Askmängden är stabil på ungefär samma nivå i samtliga prover( gur
4.3).
I studien från Ternald (2010) redovisades resultaten i TS-halt (% av totalvikten) och ökade kraftigt i papperspåsarna eftersom mer vatten än organiskt material avgick. [6] Detta liknade inte resultaten för varm-PA i detta projekt där TS började på 28% för att sedan sjunka till 21% vid dag 10 och sedan stiga igen till 31% vid lagringstidens slut. Resterande serier höll jämna TS-värden under hela lagringsperioden med ett medel på 26% och en standardavvikelse på 2%. I Ternald (2010) sjönk dessutom TS i plastpåsarna med 4-5%, något som inte observerades i denna studie.
Det faktum att papperspåsarna vid lagringstidens början hade en aningen högre VS-vikt än plastpåsarna berodde på att själva påsen mixades ner tillsammans med matavfallet.
(a) (b)
(c) (d)
Figur 4.3: Innehåll av vatten, VS och aska i varje påse uppdelat på de olika lag-ringsserierna. ). Kall-PA betyder kallt lagrad papperspåse, Varm-PA = varmt lagrad papperspåse, Varm-PL = varmt lagrad plastpåse och Kall-PL = kallt lagrad plastpåse. Samtliga värde är angivna i gram och stapeln för vatten hör till primära y-axen, VS
och aska hör till sekundära y-axeln.
När matavfallet sedan vägdes drogs hela påsens vikt (19,5g) bort både innan och efter lagring. I och med detta så gjordes två antaganden, det första var att pappret i påsen inte bryts ner, vilket inte var helt sant men tillskottet är litet, det andra som antogs var att påsmaterialets innehåll inte skiljer sig från innehållet i matavfall, vilket inte heller var helt sant men den lilla mängden ansågs försumbart. Eftersom papper är cellulosa, som är 100% VS så blir tillskottet i den analysen cirka 5% mer än om det bara hade varit matavfall i provet, vilket också syns i VS ( gur4.2). För de andra analyserna blev påverkan inte lika stor eftersom papper i princip inte innehöll något annat än cellulosa. 4.2.2 COD
COD var ett alternativ till VS för att mäta den organiska fraktionen i ett material. Det som skiljde COD från TS/VS-mätningarna gjorda i ugn var att metoden tar till vara allt
organiskt material. Flyktiga organiska ämnen som lätt avgick redan vid 105◦C förlorades
i TS-analysen men fanns med i den organiska fraktionen vid COD mätning.
Resultaten från COD-analyserna visade en del motsägelsefulla resultat ( gur 4.4). Den serie som lagrades kallt i papperspåse (kall-PA) såg ut att öka i COD-halt. Det skulle betyda att organiskt material hade tillkommit under lagringstiden, vilket var orimligt. I jämförelse med VS- kurvan i gur4.2syntes få likheter trots att sådana rimligtvis borde funnits.
Figur 4.4: Förändringen av COD under lagringstiden för de olika serierna. Kall-PA betyder kallt lagrad papperspåse, Varm-PA = varmt lagrad papperspåse, Varm-PL =
varmt lagrad plastpåse och Kall-PL = kallt lagrad plastpåse.
3 ml (3 gram) prov togs ut från matavfallsslurryn för att göra COD-testet medan det i TS/VS testet togs ut 10 gram i varje provtagning. Eftersom matavfallslurryn uppvisade viss heterogenitet så gör det att en större provmängd gav en säkrare analys. Dessutom gjordes TS/VS i triplikat medan COD-fallet endast gjordes mätningar på ett delprov per matavfallsslurry. Dessa faktorer gör att TS/VS-mätningarna bedömdes vara mer representativa för denna studie.
4.2.3 pH
Resultaten visade att pH-värdet ökade för varm-PA och minskade för varm-PL, medan de två serierna som lagrats kallt visade ej någon förändring i pH ( gur4.5).
Figur 4.5: Förändringen av pH över lagringstiden för de olika serierna. Kall-PA betyder kallt lagrad papperspåse, Varm-PA = varmt lagrad papperspåse, Varm-PL = varmt
lagrad plastpåse och Kall-PL = kallt lagrad plastpåse.
Att dra slutsatser om nedbrytning enbart från pH-förändring var svårt eftersom det kunde nns era anledningar till att pH ändrades. Både ammonium (basiskt) och VFA (surt) bildades vid nedbrytning [27]. Ett oförändrat pH-värde kan därför betyda att en jämvikt ställt in sig och alltså att nedbrytning skedde för fullt men att pH inte ändrades. Tillsammans med andra analyser varr information om pH dock bra för att stärka eller förkasta resonemangen. Låga pH-värden har emellertid visats ha en hämmande eekt på mikroorganismer som bryter ner matavfall[30].
4.2.4 Totalkväve
Inga stora skillnader i totalkväve mellan de olika lagringsserierna går att se i gur4.6och värdena såg dessutom ut att vara relativt oregelbundna. Det värde som stod ut från de andra var kall-PL efter tre dagars lagringstid, det låg lägre än för övriga serier. I övrigt följde de olika serierna varandra tydligt. Oregelbundheten i resultaten för lagrat matavfall konstaterades tidigare i lagringsstudien av Ternald (2010) [6]. Tanken med att mäta totalkväve var att försöka se en eventuell nedgång i mängd som sedan skulle kunna relateras till avgång. Storleken på delprov som togs ut då totalkvävet analyserades var
endast 0,5g. Detta gjorde som tidigare nämnts att analysen blev osäkrare då en hetero-genitet i matavfallsslurryn nns och skulle kunna vara en förklaring till oregelbunheten i resultaten.
Figur 4.6: Total mängd kväve i de olika serierna under lagringstiden. Kall-PA betyder kallt lagrad papperspåse, Varm-PA = varmt lagrad papperspåse, Varm-PL = varmt
lagrad plastpåse och Kall-PL = kallt lagrad plastpåse.
4.2.5 Ammoniumkväve
I de två serierna som lagrats kallt låg mängden ammoniumkväve under detektionsgränsen (~300mg) för alla utom dag 14 i kall-PL(tabell 4.2). Mängden provmaterial som tas ut var 10 g i denna analys vilket var lika mycket som togs ut till TS/VS, vilket anses vara en rimlig vikt för matavfallsslurry.
Tabell 4.2: Mängd ammoniumkväve för de olika serierna under lagringtiden. Kall-PA betyder kallt lagrad papperspåse, Varm-PA = varmt lagrad papperspåse, Varm-PL =
varmt lagrad plastpåse och Kall-PL = kallt lagrad plastpåse.
Lagringstid (dagar) Kall-PA (mg) Kall-PL (mg) Varm-PA (mg) Varm-PL (mg) 0 Ej mätb. Ej mätb. Ej mätb. Ej mätb. 3 Ej mätb. Ej mätb. Ej mätb. Ej mätb. 7 Ej mätb. Ej mätb. 701 Ej mätb. 10 Ej mätb. Ej mätb. 1201 478 14 Ej mätb. 324 1160 315 21 Ej mätb. Ej mätb. 1105 455
Ammoniumkväve fungerade som en indikator på att nedbrytning av proteinrika delar i det organiska materialet skett[14,45]. Att mätbara mängder fanns i de påsar som lagrats varmt och längst är därför logiskt eftersom det där bör ha skett större nedbrytning. De
analysvärden som kall-PL och varm-PL uppvisade efter 14 dagars lagring låg precis över detektionsgränsen (~300mg) vilket gör dem en aning svagare än övriga resultat.
Inom de två varmt lagrade serierna var mängden ammonium högre i varm-PA jämfört med varm-PL. Jämförs detta med resultaten för VS, som tydde på att nedbrytningen var högre i varm-PA, så kan samma slutsats dras även för ammoniumkvävet. Samma sak kan sägas utifrån pH i gur 4.5 där pH ökade i varm-PA till följd av den basiska ammoniaken som sannorlikt bildades. Inom serierna varm-PA och varm-PL som uppvi-sade mätbara mängder ammoniumkväve märktes ingen ökning under lagringstiden 10-21 dagar. Jämförs dessa resultat med VS-kurvorna i gur 4.2 i samma intervall syns att även dessa kurvor planar ut mot slutet. Som slutsats från detta kan sägas att det verkar som nedbrytningen gick fortast i början och sedan planade ut dag 10-21, då en jämn mängd av ammoniumkväve observeras.
Detta fanns två förklaringar varför nedbrytningen avstannade. Den första som tidigare visats ha bromsande eekt var då matavfallet torkar, så kallad torrkonservering.[20] Så kan varit fallet med papperspåsarna men är mindre troligt i de tätare plastpåsarna som kvarhöller vatten. Dock visade TS-halterna i varm-PA inte någon kraftig höjning vilket gjorde att torrkonservering inte var troligt. Då VS-halten för varm-PA i gur4.2 stude-rades syntes att kurvan verkade plana ut och ändrade sig väldigt lite mellan lagringsdag 14 och 21. Detta kan ha berott på att det mest lättnedbrytbara organiska materialet hade tagit slut. Studeras samma graf för Varm-PL så syntes ingen tydlig trend, men matavfallet verkade behålla sin VS-halt. Här kunde istället teorin om konservering ge-nom försurning stämma bättre in. I gur4.5 nns pH-värdet för de olika lagringsserierna och här syntes att pH går ner i varm-PL. Möjligt är alltså att båda påstyperna minskade nedbrytning av matavfallet över tid fast av olika anledningar. Det verkar dock som att det i plastpåsen skett tidigare utan att så mycket organiskt material hunnit avgå. 4.2.6 VFA
Figur 4.7 visar grafer över den totala mängden VFA (mg/kg färskt matavfall) och i appendix C nns rådata speci cerat för de olika VFA som analyserats. Provmängden som togs ut till denna analys var samma som för TS/VS och ammoniumkväve (10 g). Som tidigare nämnts så var en stor provmängd att föredra för matavfallsslurry på grund av heterogenitet och 10g verkade vara en rimlig provstorlek. Tydligt var att den absolut
