Examensarbete
Möjlighet för lokal
regenerering av granulerat aktivt kol
Analys av regenereringsmetoder
Författare: Kim Nguyen och Ida Enström Handledare företag:
Anneli Andersson Chan, Växjö Kommun Handledare LNU: Ulrika Welander Examinator: Michael Strand Termin: VT20
Ämne: Energi- och miljöteknik Nivå: Grundnivå
Kurskod: 2BT01E, 15 hp
Sammanfattning
I Sverige finns förbättringspotential för att värna om vattenkvalitet genom reningskrav för läkemedel i avloppsvatten. Det finns idag tekniker för att avskilja läkemedelsrester från avloppsvatten och en av dem är med användning av aktivt kol. Sundets avloppsreningsverk (ARV) i Växjö har fått bidrag för att genomföra en förstudie och pilotstudier för avancerad avloppsvattenrening och en av teknikerna som undersöks är aktivt kol.
Användning av aktivt kol kan skapa miljöpåverkan främst på grund av energiåtgången vid tillverkning av aktivt kol. Använt aktivt kol kan
återaktiveras genom regenerering för att få tillbaka dess aktiva egenskaper.
Regenerering innebär att föroreningarna på använt aktivt kol destrueras. Det finns olika metoder att regenerera aktivt kol, bland annat termisk, kemisk, fotokatalytisk, elektrokemisk och biologisk regenerering. Syftet med denna studie är att analysera och beskriva de fem nämnda regenereringsmetoderna av granulerat aktivt kol (GAK) för eventuell användning vid Sundet. En litteraturstudie har genomförts där metodernas egenskaper har sammanställts och jämförts. Beräkningar av totalkostnad för regenerering utanför Sundets ARV och på Sundets ARV har gjorts.
Undersökningsresultatet tyder på att termisk regenerering har störst
möjlighet att tillämpas i verkligheten bland dessa metoder eftersom termisk regenerering är mest utvecklad till att regenerera GAK i stora mängder.
Metoden har även hög regenereringseffektivitet (RE). Teoretiskt kommer kemisk regenerering därefter i prioriteringen av metodval, för att tekniken inte är tillräckligt utvecklade i större skala. Teknikens process är fortfarande i laboratorieskala vilket gör att metoden inte kan appliceras i verkligheten ännu. Metoderna elektrokemisk, fotokatalytisk och biologisk regenerering är mindre prioriterade på grund av att deras utveckling går långsammare än termisk och kemisk regenerering. Fotokatalytisk regenerering är minst relevant bland dessa fem regenereringsmetoder eftersom metoden har lägst RE och lång regenereringstid. Dessutom kan metoden kräva extra hantering av biprodukter.
För Sundets ARV kan termisk regenerering vara lovande för att
förutsättningar (CO2 och ånga) som behövs för termisk regenerering finns.
Mängden aktivt kol som behövs för Sundets ARV uppskattas till 200 ton och det räcker ungefär i 1,5 år. En första grov och förenklad
kostnadsuppskattning tyder på att en lokal regenerering vid Sundets ARV kan ha ekonomiska fördelar och bör undersökas vidare.
Betydligt mer forskning krävs för att kunna konstatera att termisk regenerering har störst möjlighet att tillämpas vid studerad lokal.
Beräkningar som gjorts är baserade på tillgängliga data, antaganden, förenklingar och våra egna tolkningar. Dessa faktorer behöver beaktas eftersom de kan ha påverkat resultaten, då verkligheten är mycket mer komplicerad.
Summary
In Sweden, there is potential for improvement in protecting the water, through treatment requirements for medicines in wastewater. Today, there are many techniques for separating drug residues from wastewater and one of them is using activated carbon. Sundet’s sewage treatment plant in Växjö has received subsidies to conduct a feasibility study and pilot studies for advanced wastewater treatment and one of the techniques being
investigated is activated carbon.
The use of activated carbon can have an environmental impact, mainly due to the energy consumption in the production of activated carbon. Used activated carbon can be reactivated by regeneration to regain its active properties. Regeneration means that the pollutants on used activated carbon are destroyed. There are various methods of regenerating activated carbon, including thermal, chemical, photocatalytic, electrochemical and biological regeneration. The purpose of this study is to analyze and describe the five mentioned regeneration methods of granulated activated carbon (GAC) for possible use at Sundet. A literature study has been accomplished and calculations of the total cost for regeneration outside Sundet and at Sundet have been made.
The study’s result indicates that thermal regeneration has the most
opportunity to be applied in operation among these five methods, because the thermal method is most developed to regenerate carbon in larger quantities. The method also has high regeneration efficiency (RE).
Theoretically, chemical regeneration comes second in priority, where the technique is not sufficiently developed for larger scale. The technology is still at laboratory level and can therefore not be in operation yet.
Furthermore, electrochemical, photocatalytic and biological regeneration are less prioritized because their development is slower than thermal and chemical regeneration. Photocatalytic regeneration is least relevant among these regeneration methods because the method has the lowest RE and long regeneration time. In addition, the method may require additional handling of by-products.
For Sundet's sewage treatment plant, thermal regeneration can be promising because the conditions (CO2 and steam) needed for thermal regeneration exist. The amount of activated carbon needed for Sundet is estimated at 200 tons and that will last for approximately 1.5 years. A first rough and
simplified cost estimate indicates that a local regeneration at Sundet can have economic benefits and should be investigated further.
Significantly more research is required to be able to establish that thermal regeneration has the greatest opportunity to be applied at the studied premise. Calculations made are based on available data, assumptions, simplifications and our own interpretations. These factors need to be considered because they may have affected the results, as the reality is much more complicated.
Abstrakt
Sundets avloppsreningsverk (ARV) i Växjö har fått bidrag för att
genomföra en förstudie och pilotstudier för avancerad avloppsvattenrening och en av teknikerna som undersöks är aktivt kol. Användning av aktivt kol kan skapa miljöpåverkan främst på grund av energiåtgången vid tillverkning av aktivt kol. Använt aktivt kol kan återaktiveras genom regenerering för att få tillbaka dess aktiva egenskaper, då föroreningarna på använt aktivt kol destrueras. Det finns olika metoder att regenerera aktivt kol, bland annat termisk, kemisk, fotokatalytisk, elektrokemisk och biologisk regenerering. Syftet med denna studie är att analysera och beskriva de fem nämnda regenereringsmetoderna av granulerat aktivt kol (GAK)för eventuell användning vid Sundet.
Resultatet tyder på att termisk regenerering har störst möjlighet att tillämpas i verkligheten bland dessa metoder eftersom termisk
regenerering är mest utvecklad till att regenerera GAK i stora mängder.
Metoden har även hög regenereringseffektivitet (RE). För Sundets ARV i Växjö kan termisk regenerering vara lovande eftersom förutsättningar (CO2 och ånga) som behövs för termisk regenerering finns. Mängden aktivt kol som behövs för Sundet uppskattas till 200 ton och det räcker ungefär i 1,5 år. En första grov och förenklad kostnadsuppskattning tyder på att en lokal regenerering vid Sundets ARV kan ha ekonomiska fördelar och bör undersökas vidare.
Nyckelord
Vattenrening, GAK, Aktivt kol, Termisk regenerering, Kemisk regenerering, Biologisk regenerering, Elektrokemisk regenerering, Fotokatalytisk
regenerering, Regenerering av aktivt kol.
Ordlista
Adsorbat Ämnen som binds till en materialyta.
Exempel på adsorbat är bland annat föroreningar och läkemedelsrester
Adsorbent Material som har förmåga att uppta och binda ämnen på sin yta. Ett exempel på adsorbent är aktivt kol
Adsorption Bindningar mellan ytor av material och partikel
ARV Avloppsreningsverk
BAK (Biokol) Biologiskt aktivt kol Biologisk
nedbrytning
När mikroorganismer använder föroreningar som läkemedelsrester till mat för att livnäras.
Bäddvolym Bäddvolym är ett mått på volymen av vatten som behandlats i filter, det vill säga volymen av aktivt kol i filter
Desorption Ämne frigörs från en yta
Extraktion Avskilja en partikel från ett ämne genom att addera ett lösningsmedel
GAK Granulerat aktivt kol
PAK Pulveriserat aktivt kol
Regenerering Regenerera betyder att kolet återaktiveras och får tillbaka dessa aktiva egenskaper. Kolet behöver regenereras efter en viss tids användning som reningsteknik Regenererings-
effektivitet (RE)
Det avser prestanda för en regenereringsmetod
Förord
Rapporten är resultatet av ett examensarbete i
Högskoleingenjörsprogrammet Energi och Miljö vid Linnéuniversitet i Växjö. Programmet är 180 hp och examensarbetet är 15 hp. Examensarbetet genomfördes under andra läsperioden 2020. Projektet är framtaget av IVL, Svenska Miljöinstitutet tillsammans med Växjö Kommun.
Vi vill tacka Anneli Andersson Chan, utvecklingschef vid Växjö Kommuns VA-avdelning, för att vi fick möjligheten att genomföra det här arbetet hos er och Jeanette Lindberg, laboratorieföreståndare vid Sundets reningsverk, för uppgifter och handledning.
Ett stort tack Christian Baresel, forskningskoordinator vid IVL, för all förmedling av kunskap och handledning under projektets gång. Tack till Dennis Adolfsson, processingenjör från Nordic Water, för vägledning och råd. Tack till vår handledare Ulrika Welander för handledning under
arbetets gång. Ett sista tack till Jacobi Carbons för yrkeskunnig information om kol.
Kim Nguyen och Ida Enström Växjö, maj 2020
Innehållsförteckning
1 Inledning__________________________________________1 1.1 Bakgrund_____________________________________________ 1 1.1.1 Avloppsvattenrening__________________________________1 1.1.2 Läkemedel__________________________________________2 1.1.3 Läkemedelsrening i Sverige____________________________ 2 1.1.4 Läkemedelsrening i Växjö_____________________________ 3 1.2 Syfte och mål__________________________________________ 4 1.2.1 Frågeställningar_____________________________________ 4 1.3 Avgränsningar__________________________________________5
2 Sundets reningsverk_________________________________6 2.1 Sundets förutsättningar___________________________________ 7
2.1.1 Kolberäkningar______________________________________ 8 2.1.2 Transport av GAK____________________________________ 9
3 Teori_____________________________________________10 3.1 Adsorption____________________________________________10 3.2 Aktivt kol_____________________________________________11 3.2.1 Aktivt kol som vattenrenare____________________________12 3.2.2 Olika typer av aktivt kol_______________________________12 3.2.3 GAK______________________________________________13 3.3 Regenereringsprocessens steg_____________________________14 3.4 Termisk regenerering____________________________________15
3.4.1 För- och nackdelar med termisk regenerering______________ 16 3.4.2 Lokal regenerering av GAK____________________________16 3.5 Kemisk regenerering____________________________________ 18 3.5.1 Regenerering med natriumhydroxid (NaOH)_______________18 3.5.2 Regenerering med lösningsmedel________________________19 3.6 Fotokatalytisk regenerering_______________________________ 20 3.6.1 För- och nackdelar med fotokatalytisk regenerering_________ 21 3.7 Elektrokemisk regenerering_______________________________21 3.7.1 För- och nackdelar med elektrokemisk regenerering_________22 3.7.2 Jämförelse mellan elektrokemisk och termisk regenerering____23 3.8 Biologisk regenerering___________________________________ 23 3.8.1 Regenerering med BAK_______________________________ 23 3.8.2 Bioregenerering______________________________________24 3.9 Sammanställning av regenereringsmetoderna__________________25
4 Metod ____________________________________________ 28 4.1 Metodkritik____________________________________________ 29
5 Genomförande_____________________________________ 30 5.1 Bedömning betygstabell__________________________________ 30 5.2 Beräkningar____________________________________________31 5.2.1 Beräkning av kolmängd________________________________32 5.2.2 Beräkning av kolets livslängd___________________________ 32 5.2.3 Beräkning av kostnad för kolförlust_______________________32 5.2.4 Beräkning av totalkostnad för regenerering utanför anläggningen 33 5.2.5 Förutsättningar för lokal regenerering______________________33 5.2.6 Beräkning av totalkostnad för lokal regenerering_____________36
6 Resultat____________________________________________37 6.1 Den rekommenderade regenereringsmetoden av GAK___________ 37 6.2 Kostnaden vid regenerering av GAK utomlands________________ 41 6.3 Förutsättningar för lokal regenerering av GAK vid Sundet________ 41 6.4 Kostnaden för en egen lokal regeneringsanläggning_____________ 43 6.5 Jämförelsekostnad för regenerering av GAK___________________ 44
7 Diskussion__________________________________________45 7.1 Val av regenereringsmetod_________________________________45 7.2 Bedömning av referenser__________________________________ 47 7.3 Faktorer som påverkar beräkningar__________________________ 48 7.3.1 Kolets livslängd_______________ _______________________48 7.3.2 En egen lokal regenereringsanläggning____________________ 48 7.3.3 Kostnad för GAK och transport___ _______________________49 7.4 Övriga faktorer__________________________________________ 50 7.5 Förslag till vidare studier___________________________________51
8 Slutsats____________________________________________ 52
9 Referenser___________________________________________ 53
10 Bilagor______________________________________________I Bilaga 1: Förutsättningar för lokal regenerering av GAK_____________ I Bilaga 2: Beräkning av CO2, ånga och naturgas____________________ I Bilaga 3: Beräkning av konstanter_______________________________ I
1
1 Inledning
Vatten är den mest betydelsefulla naturresursen och det viktigaste livsmedlet för människor. Vatten är ett arv, inte en vara, så därför behöver det hanteras och omhändertas. Att ha rena hav, sjöar, grundvatten och vattendrag är väsentligt för en hållbar framtid på planeten. [1]
Idag finns det inget reningskrav för läkemedel i avloppsvatten i Sverige. En svensk studie avHörsing m.fl. [2] visade att 50 % av läkemedelsrester inte kunde renas i vanliga avloppsreningsverk, ARV, utan behöver kompletterande tekniker. Brist på reningskrav medför att ett ARV inte är anpassade för att rena alla föroreningar. Avloppsvatten förorenas främst av tungmetaller,
bekämpningsmedel, oorganiska salter, mikrober, skadliga ämnen och kolväten (olja och oljeförädlingsprodukter). Reningsverk för avloppsvatten renar idag vattnet från syreförbrukande ämnen, fosfor och kväve. [1] [3]
1.1 Bakgrund
I EU finns sedan år 2000 ett mål om att alla sjöar, grundvatten, kustvatten och vattendrag ska vara av god kvalité. EU:s vattendirektiv om att nå god ekologisk och kemisk status för alla vatten trädde i kraft år 2000 och det lanserades i svensk lagstiftning 2004. Statusklassning av god ekologisk- och kemisk status görs i en femgradig skala från hög till låg status. God ekologisk status betyder att det inte finns några påtagliga miljöproblem. Viktiga parametrar för en ansedd god miljö är biologiska, fysikaliska och kemiska aspekter. För att värna om vattnets växt- och djurliv, behövs rätt förhållanden angående bland annat näringsämnen och syrgas. Vattnets flöde och vägar påverkar också djurlivet och därför är det viktigt med öppna vattenvägar. Mängden av giftiga ämnen och föroreningar mäts i vatten och om värdena understiger riktvärdena kan vattnet kvalificeras för god kemisk status. [4] [5] [6]
1.1.1 Avloppsvattenrening
Sjöar och vattendrag var väl diskuterade under 1960-talet, då de till stor del var övergödda. Övergödningen märktes genom att alger växte och spreds så att sjöar växte igen. Biologisk-kemisk rening, som används mycket idag, introducerades under 1970-talet. Cirka år 2000 började särskild kväverening användas i större reningsanläggningar. ARV i Sverige idag använder oftast mekanisk, biologisk och kemisk rening tillsammans. Inledningsvis sker mekanisk rening, där större partiklar frånskiljs, som papper och plast. Därefter sker kemisk rening, där fosfor separeras från avloppsvattnet. I den slutliga biologiska reningen används mikroorganismer för att få bort organiska ämnen.
Med ett tillägg av kväverening kan 50–75 % kväve bortföras. Även vidare tillägg av steg med filter kan finnas, vid högre reningskrav, där slam och partiklar kan filtreras bort. [7]
Nödvändigt med avloppsvattenrening är att det alltid måste fungera året om.
Utveckling av analystekniker på laboratorium de senaste 10 åren har bidragit
2
till att mer komplicerade analyser är möjliga, och därför kan vattenreningstekniker förbättras. [8]
1.1.2 Läkemedel
I Sverige beräknas det användas tusentals ton läkemedel årligen. Med en ökad och äldre befolkning ökar användandet av läkemedel varje år. Läkemedel är kemiska ämnen som är nödvändiga i det moderna samhället ur ett
hälsoperspektiv. Men en del läkemedel kan ha negativ miljöpåverkan. Exempel på sådana läkemedel med negativ miljöpåverkan är de naturliga hormonerna östron och östradiol, syntetiska hormonerna etinylöstradiol och flertalet antibiotika (claritromycin, erythromycin och ciprofloxacin) m.m. enligt EU- kommissionens bevakningslista. Bevakningslistan tar även upp andra negativt miljöpåverkade läkemedel som exempelvis blodtrycksmedicin, lugnande, antidepressiva och antiinflammatoriska läkemedel. [1] Rening av läkemedel kräver information om läkemedlet. Val av reningsmetoder är beroende av typ av läkemedel och dess struktur, om det till exempel är en syra eller bas. [1]
Läkemedelsrester är stabila kemiska föroreningar som klarar miljön i människans tarm och magsäck. För att läkemedel ska kunna transporteras i blodet är de vattenlösliga. Efter att människokroppen har använt läkemedel hamnar läkemedelsrester i naturen, där ekosystem påverkas. Läkemedelsutsläpp påverkar ekosystem redan när läkemedel är i låg koncentration. För ekosystem är det negativt att läkemedel har långsam nedbrytning och är kemiskt resistenta.
Kemiskt resistenta läkemedel är en orsak till antibiotikaresistenta bakterier. Hos ekosystem påverkas djurlivet negativt av läkemedelsutsläpp. Till exempel kan organismer i vattenmiljön påverkas av kvinnliga könshormoner och ge en skev könsfördelning. Abborrar kan bli beteendeförändrade med ångestdämpande mediciner, såsom att de blir modigare och därmed lättillgängliga för rovfisk. [1]
1.1.3 Läkemedelsrening i Sverige
Det finns idag tekniker för att avskilja läkemedelsrester från avloppsvatten, men i Sverige finns det inga specifika lagar om att det måste göras. Att införa
läkemedelsrening av avloppsvatten skulle bidra till att uppnå nationella miljökvalitetsmål och globala mål för hållbar utveckling från Agenda 2030.
Agenda 2030 är en global agenda utfärdad av medlemsländer i FN. De nationella målen som är aktuella är:
• Giftfri miljö
• Levande sjöar och vattendrag
• Hav i balans
I Agenda 2030 antogs 17 mål. Att införa läkemedelsrening bidrar till att uppnå fyra av de globala målen:
• Hållbara städer och samhällen
• Rent vatten och sanitet för alla
• Hållbar konsumtion och produktion
• Ekosystem och biologisk mångfald
3
Att införa läkemedelsrening kan vara ett sätt att uppnå målen i Agenda 2030, därför har regeringen givit Naturvårdsverket i uppdrag att undersöka behovet och stödja den praktiska utvecklingen av läkemedelsrening hos reningsverk. [1]
[9] [10]
I 2§ Förordning (2018:495)benämns uppdraget om bidrag för rening av avloppsvatten från läkemedelsrester. Uppdraget pågår under tre år med start 2018 och innefattar fördelning av det totala nationella bidraget på 145 miljoner kronor för att införskaffa läkemedelsrening av avloppsvatten. [1] [9] [10]
1.1.4 Läkemedelsrening i Växjö
Sundets reningsverk ligger bredvid en övergödd sjö, Norra Bergundasjön.
Norra Bergundasjön klassas inneha dålig ekologisk status samt dålig kemisk status. Sjön anses ha dålig ekologisk status eftersom sjön är övergödd och benämningen dålig kemisk status eftersom kvicksilver finns närvarande. Intill reningsverket och Norra Bergundasjön finns en skog som är skyddad enligt Natura 2000. EU:s art- och habitatdirektiv främjar den biologiska mångfalden och det görs genom att EU-länder märker specifika områden, Natura 2000- områden. Att värna om denna miljö görs för att skydda 900 växt- och djurarter som anses särskilt värdefulla. Sundets reningsverk i Växjö har fått bidrag för att genomföra en förstudie och pilotstudier för avancerad avloppsvattenrening [11]
[12] [13]
2019 togs provtagningar av läkemedelsutsläpp i Växjö vid tre tillfällen.
Provtagningar gjordes vid äldreboende, sjukhus och hushåll. Vatten- och slamprov togs både upp- och nedströms reningsverk. Resultatet av provtagningarna visade att avloppsvattnet innehöll mycket höga halter av ibuprofen och naproxen, det vill säga sådana läkemedel som har negativ miljöpåverkan, in till Sundets ARV. Ibuprofen och naproxen används mot smärta, feber och är inflammationshämmande. Sjukhus och äldreboende hade också en betydande påverkan på halterna in till reningsverket. Utmärkande var även det lugnande och ångestdämpande läkemedlet oxazepam, som förekom i 10 gånger högre halt jämfört med vid andra reningsverk. [1] [14] [15] [16]
Aktivt kol är en vanligt förekommande teknik för att rena avloppsvatten från mikroföroreningar och många studier har genomförts. Användning av aktivt kol i vattenrening framställs som enkel och stabil. [8] Tester med aktivt kol som reningsteknik utförs våren 2020 av Sundets ARV. För att använda aktivt kol behövs kontinuerligt tillskott av råvaran. Därför undersöker denna studie olika möjligheter att regenerera aktivt kol och även möjlighet att göra det lokalt.
[14] [17]
Regenerera betyder att kolet återaktiveras och får tillbaka dess aktiva egenskaper. Kolet behöver regenereras efter en viss tids användning som reningsteknik. Livslängden av kolet beror således på olika faktorer, som mängd använt kol, vattenflöde och mängd läkemedelsrester i vattnet. [17] [18]
4
Användning av aktivt kol kan skapa miljöpåverkan främst på grund av
energiåtgången vid tillverkning av aktivt kol. Idag behöver förbrukat aktivt kol regenereras utomlands eftersom det inte finns någon kommersiell
regenereringsanläggning i Sverige. Att regenereringen görs utomlands medför inte bara en miljöpåverkan på grund av transporten, utan också miljöpåverkan vid val av energikälla. Energikällan är oftast inte lika miljövänlig som i Sverige.
En lokal regenerering vid reningsverk skulle vara en möjlighet för att spara transporter och kostnader. [18]
1.2 Syfte och mål
Syftet med examensarbetet är att analysera och beskriva fem
regenereringsmetoder av granulerat aktivt kol (GAK) för eventuell användning vid Sundet. De fem regenereringsmetoderna är termisk regenerering, kemisk regenerering, fotokatalytisk regenerering, elektrokemisk regenerering och biologisk regenerering.
Målet är att jämföra de fem regenereringsmetoderna, där för- och nackdelar förklaras. Utifrån en sammanställning ska bäst lämpad metod rekommenderas, med hänsyn till lokala resurser för Sundets reningsverk i Växjö, Sverige. För att få en realistisk bild av regenereringen jämförs kostnader att regenerera GAK utanför anläggningen mot att skapa en egen regenerering lokalt. Det innebär att ett förslag till kostnaderna läggs fram för den jämförelsen.
1.2.1 Frågeställningar
För att besvara syftet och uppnå målet ställs följande frågeställningar, med hänsyn till rekommenderad regenereringsmetod:
• Vilken är den rekommenderade regenereringsmetoden av GAK?
• Vad blir kostnaden vid regenerering av GAK utomlands?
• Hur kan lokal regenerering av GAK vara möjlig vid Sundets reningsverk?
• Vad blir kostnaden för en egen lokal regeneringsanläggning?
5
1.3 Avgränsningar
Med hänsyn till den globala pandemin av viruset COVID-19 kan arbetet påverkas då pandemin hanteras olika i många länder. Vissa länder stänger ner sina gränser och andra inför åtgärder som karantän vilket inverkar på samhället, företag och individer. Vidare tillhör arbetet kursen ” Examensarbete i
bioenergiteknik ” som är 15 högskolepoäng. Arbetstiden har sedan baserat på de högskolepoängen vilket motsvarar cirka 10 veckor. Avgränsningar ställs för att hinna genomföra arbetet under den tidsramen.
Arbetet kommer att fokuseras mest på regenerering av GAK. Andra typer av aktivt kol, som pulveriserat aktivt kol (PAK), kommer inte behandlas i
rapporten. Arbetet har avgränsats till de fem regenereringsmetoderna av GAK som tidigare beskrivs och utifrån de fem regenereringsmetoderna ska bäst lämpad regenereringsmetod bestämmas samt förslag till totalkostnaden för den bäst lämpade regenereringsmetoden. Den beräknade totalkostnaden kommer att basera på de insamlade data under den givna tidsramen. Med avseende på de åtgärderna av pandemin och arbetstidsramen kan det medföra att datainsamling för totalkostnaden begränsas vilket i sin tur påverkar resultat av totalkostnaden.
För att kunna analysera totalkostnaden sätts systemgränser upp, vilket gör att fokus för totalkostnaden enbart ligger på de kostnader som berör
regenereringsprocessens steg i avsnitt 3.3, det vill säga kostnader för GAK, transport och regenerering med hänsyn till kolförlust. Kostnader för
efterbehandling av regenereringsbiprodukter och personaler m.m. kommer inte tas med i beräkningen för att begränsa utsträckningen på arbetet.
6
2 Sundets reningsverk
Sundets reningsverk i Växjö, Sverige, togs i drift 1994 och reningsverket är beläget vid den södra delen av Norra Bergundasjön i Växjö. Reningsverket är dimensionerat för 95 000 personekvivalenter (ett mått på föroreningssläpp till avloppsvatten, en personekvivalent motsvarar en individ) och ett maxflöde på 3 000 m3/ h. Avloppsvatten som behandlas kommer från Växjö tätort samt närliggande verksamheter och industrier. [14] [19] [20]
Figur 1 nedan visar en förenklad version av hur Sundets vattenrening kan se ut.
Det ingår då mekanisk, biologisk och kemisk rening. Första steget i
reningsverket är mekanisk rening, där avloppsvattnet rinner genom rensgaller och sedan sandfång. Efter sandfånget tillsätts fällningskemikalie i vattnet.
Kemikalierna som används i reningsprocessen är Ekomix 1091 (aluminiumjärn- hydroxidlösning, Al(OH)3 ochFe(OH)₂ ). [14] [19] [21]
Avloppsvattnet delas efteråt upp i sex parallella linjer, en av linjerna används som försökslinje. Stora, fasta partiklar och fosfor kan tas bort i
försedimenteringsbassänger. Därefter följer en biologisk rening där vattnet hamnar i luftningsbassänger med aktivt slam för att avlägsna organiska ämnen och här sker det även en nitrifikationprocess, vilket betyder att ammoniumjoner (NH4+) oxideras till nitratjoner (NO3-). I eftersedimenteringssteget ska vattnet separeras från aktivt slam. Slammet recirkuleras till luftningsbassäng och en del av slamflödet tas ut från reningsverket för att samrötas med matavfall från regionen. Ut från processen kommer rötrester som kan användas till jordbruk i form av gödsel. Vattnet går vidare till en kemisk rening, det vill säga sista steget av reningsprocessen. I det här sista steget sker en efterfällning i
Dynasandfilter, vilka är cylinderformade tankar fyllda med sand. Vattnet leds in i filter och fördelas jämnt över sandbädden. Resterande partiklar i vattnet filtreras bort när vattnet pumpas ut från dessa filter. Ett läkemedelsreningssteg kan möjligen adderas i processen, exempelvis användning av granulerat aktivt kol (GAK) för att försöka i bästa mån minska spridning av mikroföroreningar till miljö runtomkring. [14] [19] [21]
Figur 1 Hur Sundets reningsverk kan se ut vid tillägg av GAK filter.
När avloppsvattnet är renat kan vattnet rinna vidare till Norra Bergundasjön och därifrån leds vattnet till slut till Östersjön. Norra Bergundasjön är övergödd med mycket näringsämnen, framförallt fosfor från Växjös bebyggelse och verksamheter. Eftersom Norra Bergundasjön har låg vattenomsättning jämfört med utsläppet medför det att Norra Bergundasjön har hög koncentration av
7
näringsämnen. Situationen har blivit bättre tack vare förbättrad hantering av avloppsvattnet. Enligt en förstudierapport vid Sundets reningsverk i Växjö 2020 kan stora mängder av läkemedel och andra skadliga ämnen fortfarande finnas i sjön och därför pågår det undersökningar gällande vilka läkemedel som finns.
[14] [19]
Provtagningar av avloppsvattnet har gjorts av anställda vid Sundets
reningsverk. Efter provtagningar har de anställda gjort en nulägesanalys för Sundets reningsverk och en kartläggning av behov med ytterligare rening av läkemedel. De anställda undersökte möjligheten att rena avloppsvatten från läkemedelsrester med oxidation av ozon eller med oxidation av UV/
väteperoxid (H2O2). Tekniken aktivt kol för avloppsvattensrening studeras i skrivande stund och under våren 2020 utförs ett pilotförsök med aktivt kol på Sundet. Till pilotförsöket har 1000 kg GAK köpts. [14] [22]
För ozon och UV/H2O2 har praktiska tester genomförts. Det finns andra möjliga tekniker som oxidation med UV/titandioxid, membranfiltrering och filtrering genom aktivt kol för att komplettera reningsprocessen. Ozon och UV/H2O2 har olika egenskaper. Med ozon kan färg, smak och lukt avlägsnas, dessutom kan bakterier och virus elimineras. En nackdel med ozon är dess biprodukt bromat som är giftig och cancerframkallande. Oförutsedda produkter gör att ozon kan skapa problem vid användning av stora doser. Användning av UV/H2O2 är en mer avancerad teknik än ozon. Vidare krävs stora kostnader för en sådan investering och drift. Provtagningar som är gjorda på Sundets reningsverk visar att energiförbrukningen höjs med 50 % vid användning av UV/H2O2, medan energiförbrukningen vid användning av ozon bara ökar med
5 %. [14] [17]
För att utforska möjligheten att införa en lokal anläggningen vid Sundet så studeras Sundets förutsättningar närmare i kommande avsnitt.
2.1 Sundets förutsättningar
Vid Sundets reningsverk produceras biogas. Biogasen kan tillverkas av
matavfall och slam från avloppsvattenreningen. Matavfallet kommer ifrån olika verksamheter och hushåll inom Växjö Kommun. Producerad biogas 2019 var 2 400 000 Nm3 och den består till 37 % av koldioxid (CO2), där CO2 är en restprodukt av biogasproduktionen. Sundet förbrukar sedan 1402 ton pellets vid biogastillverkningen. [19]
För att maximera produktionen av biogas används termisk hydrolys med ångexplosion, där ånga regenereras från en ångpanna. Mer information om hur termisk hydrolys går till finns att läsa i en rapport av Schnürer m.fl [23], bland annat skriven av anställda på Sundets reningsverk. [23]
Sundet har 60 stycken DynaSand-filter med sand i. De planerar att testa att använda hälften av dem, så 30 stycken DynaSand-filter med GAK och
resterande 30 används i så fall med sand som de gör idag. [22] I denna rapport beräknas mängd kol och kostnad för 30 filter. Drift i GAK filter liknar mycket
8
de traditionella sandfiltren vilket gör att skötselhantering för GAK filter kan ske på samma sätt [24].
Information om kostnad för att köpa in kol har tagits del utav sakkunniga personer. Sundet betalar 25 SEK/kg för nytt aktivt kol till deras pilotförsök [22], där kolleverantören är Jacobi Carbons [25]. Jacobi Carbons är ett företag som har regenereringsanläggningar för kol, där de använder kvävgas för termisk regenerering [26].
I nästa avsnitt illustreras ekvationer för hur mycket kol som behövs till 30 filter och hur länge det kolet kan rena avloppsvattnet från läkemedelsrester.
2.1.1 Kolberäkningar
Vid anläggningen kommer kolet vara i ett filter, vilket är DynaSand-filter. Med hjälp av ekvation 1 kan kolvikten beräknas [25].
𝑚𝑘𝑜𝑙 = 𝑉𝑓𝑖𝑙𝑡𝑒𝑟𝑏ä𝑑𝑑 ∙ ρ (1) Där,
mkol = kolmassa, kg
Vfilterbädd = filterbäddsvolym, m3 ρ = kolets densitet, kg/m3
Hur länge den behövda kolmängden räcker för Sundets anläggning påverkas av filtrernas storlekar och kolets livslängd. Kolets livslängd beror på antal
bäddvolymer som passerar filter [22]. Bäddvolym (BV) är ett mått på volymen av vatten som behandlats i filter, det vill säga volymen av aktivt kol i filter [27].
Enligt en rapport av IVL Svenska Miljöinstitutet (IVL) av Baresel m.fl. [28], kan 25 000 bäddvolymer (BV) användas innan filtret blir mättat och tappar reaktivitet, därefter måste kolet bytas ut eller regenereras. Vad regenerering betyder och varför kolet behöver bytas ut/regenereras förklaras mer detaljerat senare i teorin. Ekvation 2 nedan används för att beräkna bäddvolymen (BV) [25].
𝑂𝑚𝑠𝑎𝑡𝑡 𝐵𝑉 = 𝑄
(𝐴𝑛𝑡𝑎𝑙 𝑓𝑖𝑙𝑡𝑒𝑟 ∙ 𝑉𝑓𝑖𝑙𝑡𝑒𝑟𝑏ä𝑑𝑑) (2) Där,
Q = vattenvolymflöde, m3/h
Antal filter = hur många filter som används, antal Vfilterbädd = filterbäddsvolym, m3
9
2.1.2 Transport av GAK
När kol har blivit oaktivt kan kolet transporteras till en
regenereringsanläggning. Exempel på en regenereringsanläggning är Jacobi Carbons Services (Europe) GmbH i Premnitz, Tyskland och Jacobi
Carbons SASU i Vierzon, centrala Frankrike. Jacobi Carbons är Sundets underleverantör, då deras kol köps därifrån. Till anläggningen i Premnitz, Tyskland, är det ungefär 655 km från Växjö. Företaget Chemviron Carbon är det största tillverkningsföretag för aktivt kol i EU och företaget har den största regenereringsanläggningen i Europa, i Belgien. [25] [26]
Transport av GAK behövs till och från Sundets anläggning. Vid inköp av nytt GAK behövs transport från Asien, till exempel Kina.
Transportkostnaden av GAK har estimerats av kontaktperson hos Jacobi Carbons och uppskattas vara 1,5 SEK/kg från Asien till Växjö [26]. Att transportera GAK från Växjö till anläggningen i Premnitz uppskattas kosta 1 SEK/kg, vilket har informerats av yrkeskunnig hos Jacobi Carbons [26].
Om regenerering av GAK utförs utanför anläggningen så behövs tre transporter av kolet:
1. Från Asien till Sundet 2. Från Sundet till Tyskland 3. Från Tyskland till Sundet
Kostnaden för dessa tre transporter är sammanlagt uppskattade till 3,5 SEK/kg.
[26]. Kostnad för transport om en lokal regenerering införs är då istället endast första steget, det vill säga 1,5 SEK/kg.
10
3 Teori
Inledningsvis förklaras begreppet adsorption, som är en teknik för
läkemedelsrening. Därefter följer en beskrivning av aktivt kol beträffande sammansättning, struktur och användningsområden, där en vidare inriktning görs mot granulerat aktivt kol (GAK). Vidare definieras vad regenerering är och hur regenereringscykeln fungerar. Avslutningsvis redovisas och jämförs fem regenereringsmetoder utifrån funktion och för- och nackdelar.
3.1 Adsorption
Adsorption är en kemisk process som innebär att ett material får kemiska bindningar från materialets yta till en partikel. Ett material som har förmåga att uppta och binda ämnen på sin yta kallas adsorbent, och ett ämne som blir adsorberat namnges adsorbat. Adsorbenten kan adsorbera ämnen i gas- eller vätskeform. En egenskap hos en bra adsorbent är stor ytarea per viktenhet, eftersom en större yta ger bättre förutsättningar för adsorption. Det innebär att ju mer vikt adsorbenten har, desto större yta hålls kvar adsorbat. Vidare höjs adsorptionskapaciteten med minskad temperatur och ökat tryck. [29] Adsorptionsförmågan är bättre vid rening av ämnen med stor molekylvikt och låg löslighet än ämnen med hög vattenlöslighet. [24] [30] Skillnaden mellan adsorption och absorption är att medan absorption innebär suga upp så är adsorption endast som en tejp på ytan, se figur 2. Vid adsorption fastnar ett ämne på ett materials yta medan i absorption sugs ett ämne in i ett material. [31]
Figur 2 Illustration av adsorption till vänster och absorption till höger
Läkemedel kan skiljas från avloppsvattnet med adsorptiva
reningsprocesser genom separation, då aktivt kol används som adsorbent.
Nackdelen med adsorptiva processer är att kolets adsorptionsförmåga minskar och då behöver kolet ersättas eller regenereras regelbundet. Med regenerering kan adsorptionsförmågan återfås. [24] [30]
11
3.2 Aktivt kol
Aktivt kol kan tillverkas med material såsom kokosnötskal, torv, trä, sten- och brunkol m.m. Aktivt kol av kokosnötskal har högst hårdhet av
koltyperna, som då motstår nedbrytning bäst. Det betyder att det är svårast att regenerera aktivt kol av denna typ, vilket är en dålig egenskap. [29] [32]
Kol innehåller mycket porer och det är med hjälp av porstrukturen och kemiska bindningar som adsorption kan utföras. Kolstrukturerna är amorfa, det vill säga oregelbundna mönster [33], därför finns det aktiva kolets porer i varierad storlek [32] [34]. Porerna delas in i tre grupper: mikroporer,
mesoporser och makroporer. Mikroporer är mindre än 2 nm, mesoporer är mellan 2 och 50 nm och makroporer är större än 50 nm, se figur 3.
Storlekarna bidrar med egna egenskaper, då det är i porerna adsorptionen sker och beroende på porerstorlek så adsorberas olika stora föroreningar.
[33] [32]
Figur 3 Exempel på makro-, meso- och mikroporers placering i kolet, där makro är störst, meso mellerst och micro är minst.
Kolets ursprungsmaterial påverkar materialets porositet och porstruktur.
Fysikaliska och kemiska egenskaper hos aktivt kol beror av sammansättning och struktur, till exempel varierande densitet samt fukt- och askhalt.
Fukthalten är vanligtvis 3–6 % i aktivt kol. Den obrukbara delen hos kol som innefattar askhalten vill hållas så låg som möjligt, eftersom askinnehållet bidrar till minskad aktivitet och minskad återaktiveringseffektivitet hos aktivt kol. [29]
Användningen av aktivt kol för att adsorbera föroreningar är en vanlig metod vid vattenrening. Aktivt kol ingår i adsorptiva reningsprocesser eftersom aktivt kol innehar adsorptionsförmåga. Funktionella grupper på kolets yta bidrar till att aktivt kol kan anknyta till materia med kemiska bindningar.
[33]
Vid aktivering av kol ökar porstorleken och det skapas en kontinuerlig porstruktur. Porstorleken kan öka upp till 100 nm. Aktivt kol kan med ett stort antal små porer ha en stor area per volym. Efter aktiveringen är ytan 800–1500 m2/g kol. Vid aktivering blir kolytan kapabel att reagera med funktionella grupper, vilket medför adsorptionsförmågan. [29] [33]
12
Hur adsorptionsförmågan bidrar till att aktivt kol kan fungera som vattenrening förklaras härnäst.
3.2.1 Aktivt kol som vattenrenare
Aktivt kol fungerar som vattenrenare genom att avlägsna föreningar från vatten med hjälp av massöverföring och adsorption. Föroreningar som finns i vatten vidrör och fångas upp av aktivt kol. Vissa föroreningar skickas vidare till porer i aktivt kol där adsorption kan ske. Andra föroreningar kan stanna kvar och adsorberas på aktivt kols yta. [29] [35]
Vidare kan aktivt kol adsorbera svårnedbrytbara mikroföroreningar.
Adsorptionen görs i det aktiva kolets porer. De adsorberande föreningarna bestående av organiskt material kan brytas ned av bakterier som lever i vattnet. Bakterierna kan alltså livnäras påde föreningarna och på så sätt blir adsorptionsytor lediga. De platser som inte frigörs ockuperas av föreningar som antingen är stabila eller oorganiska. Platser som inte frigörs medför igentäppning, vilket gör att adsorptionsförmågan hos kolet minskar. Därmed behöver kolet återaktiveras genom regenerering. [1]
3.2.2 Olika typer av aktivt kol
De tre vanligaste typerna av aktivt kol är pulvriserat aktivt kol (PAK), GAK och biologiskt aktivt kol (BAK). Vidare finns exempelvis aktiva kolfibrer och kolnanorör. [1] [36] Nedan följer en förklaring av PAK och BAK, medan GAK förklaras mer i nästa del, 3.2.3.
PAK används som adsorbent vid ämnen i vätskefas. Koltypens fördelar är låg kostnad och lättjusterad vid användning, till exempel är mängden PAK enkel att ändra vid varierande processförhållanden. PAK kan inte regenereras, vilket bidrar till en större miljöpåverkan, och är därför inte intressant vid sökande om regenereringsmetoder. [37]
BAK, även kallat biokol, är under utveckling. BAK kan användas som PAK eller GAK när bakteriell aktivitet behövs. Rening med BAK utförs med hjälp av adsorption, som likt de andra typerna av aktivt kol. Med BAK och adsorption kan organiskt material adsorberas i makroporerna och där sker långsam biologisk nedbrytning av bakterier. BAK-filter finns idag i bruk som vattenrening hos ett ARV, men då som
efterföljande steg efter ozonering, där ozonering är en annan teknik för att rena vatten. Tekniker med BAK är ännu inte tillräckligt utvecklade för att användas enskilt. Framtidspotentialen för BAK är god, då biokol teoretiskt kan produceras av avloppsslam och därigenom kan det i framtiden bli aktuellt att producera eget kol lokalt. [1] [38]
GAK har fördelar mot PAK och BAK. BAK är som sagt inte tillräckligt utvecklad, medan PAK är väl utvecklad. PAK kan dock inte regenereras, men
13
GAK kan det. För att vidare studera olika regenereringsmetoder är det därför GAK som är aktuellt. [37]
3.2.3 GAK
GAK är som namnet förutser kol formade som granuler och dess partiklar har oregelbunden form, som kolstrukturer har [33]. GAK kan läggas in i filterbäddar som ett enskilt steg efter de konventionella avloppsreningsstegen, se kapitel 2 Sundets reningsverk för mer
information. Det som sker i filterbäddarna är att föroreningar fångas in när vatten passerar filtret och det innebär att kolet adsorberar
föroreningarna på sin aktiva yta. När kolytan är tillräckligt fylld med ämnen behövs kolet bytas ut eller regenereras. [24] [30]
PAK och GAK har olika storlekar på dess kolpartiklar. GAK har större partiklar än PAK, 0,2–5 mm, medan partiklar i PAK är 0,5–15 nm. På grund av GAK:s större partikelstorlek så är massöverföringen begränsad, vilket betyder att adsorptionsförmågan är sämre för mindre partiklar. PAK har därför högre adsorptionsmöjlighet. [34] [37]
I Sverige erbjuds det ännu inte storskaliga installationer av GAK filter för kommunala ARV. Anledningen kan vara att det saknas tillverkning som sker i stor skala samt att det saknas regenerering av aktivt kol i Sverige.
[24] [30]
3.2.3.1 Drift i GAKs filter
Drift i GAKs filter liknar mycket traditionella sandfilter, vilket gör att skötselhantering kan ske på samma sätt. Viktiga parametrar som bör tas hänsyn till vid drift av GAKs filter är kontakttiden (kallas empty bed contact time, ETBC, på engelska) och hydrauliska belastning. [24]
Kontakttiden innebär hur länge vattnet förekommer i den del som fylls med aktivt kol innan vattnet rinner ut igen [39]. Kontakttiden (ETBC) kan bestämmas med hjälp av ekvation 3, det vill säga GAKs bäddvolym dividerat med avloppsvattenflöde [29].
𝐸𝑇𝐵𝐶 = 𝐺𝐴𝐾𝑠 𝐵𝑉
𝑄𝑎𝑣𝑙𝑜𝑝𝑝𝑠𝑣𝑎𝑡𝑡𝑒𝑛 (3) Hydraulisk belastning avser i vilken hastighet vattenflödet strömmar förbi en viss area i ett GAK-filter. För hög hastighet av vattenflödet medför att kontakttiden mellan det förorenade vatten och kolbädden i filtret blir kort.
Kort kontakttid gör att vattnet inte kan renas tillräckligt från föroreningar.
För låg hastighet av vattenflöde kan orsaka avlagring av exempelvis slam i bädden, det gör att bädden blockeras av slammet. Igensatta filter kan renas med en reningsmetod som kallas backspolning. Backspolning innebär att filter kopplas om så att igensättning i bädden kan spolas av det vattnet som kommer in. [24] [40]
14 3.2.3.2 GAKs reningskapacitet
Reningseffektivitet av GAKs filter sjunker gradvis, det beror på att kol i dessa filter adsorberar föroreningar från avloppsvatten. För att filtrering genom GAK ska bli effektivt bör avloppsvatten innehålla så få partiklar som möjligt. Det betyder att antalet partiklar bör minskas innan de kommer till läkemedelsreningssteget. Filtreringen genom GAK ska helst bara utnyttjas för rening av läkemedelsrester för att avskiljning av
läkemedelsresterna ska bli effektivt. [30]
3.3 Regenereringsprocessens steg
I detta arbete undersöks fem metoder som kan användas för att regenerera GAK. Regenereringsprocessen innebär i ett första steg transport av GAK av en lastbil. GAK transporteras då till ett ARV från leverantören och används sedan vid vattenrening för att eliminera läkemedelsrester från vattnet.
Spenderat GAK hämtas av en lastbil när filtrernas reningskapacitet har försämrats och GAK transporteras vidare till en regenereringsanläggning.
Lastbilen anländer till regenereringsanläggningen, där regenereringen av förbrukat GAK kan ske. Den regenererade GAK returneras av lastbilen tillbaka till ett ARV. [41] Se figur 4.
Figur 4 Regenereringsprocessens steg som börjar med att en lastbil transporter GAK till ett ARV, som för in och ut kol i ett kolfilter som bilden visar. När kolet har först ut från kolfiltret kan lastbilen hämta det och föra kolet till en regenereringsanläggning. Slutligen kan lastbilen hämta kolet från regenereringsanläggningen och processen börjar om.
I denna rapport ligger fokus på fem regenereringsmetoder, som förklaras angående funktion och egenskaper fortsättningsvis i denna teoridel.
Regenereringsmetoderna är:
• Termisk regenerering
• Kemisk regenerering
• Fotokatalytisk regenerering
• Elektrokemisk regenerering
• Biologisk regenerering
15
3.4 Termisk regenerering
Termisk regenerering är den mest framskridna metoden av alla
regenereringstyper [42] och den är även den mest utvecklade metoden för GAK därför har tekniken använts av många industrier. Vid regenereringen behöver det en ugn för att kunna regenerera GAK i höga temperaturer. Det är vanligt att använda en härdugn (på engelska multiple-hearth furnaces) eller en roterande ugn (på engelska rotary kiln). Fördelar med roterande ugnen är att den har låg kapitalkostnad och kräver litet underhåll. Vidare tar det mindre tid att sätta på och stänga av roterande ugnen än härdugnen. Däremot har användning av härdugnen en mer kontrollerad regenereringsprocess och en mer jämn kvalité.
[29]
Termisk regenerering utförs sedan i de följande steg: förbehandling, regenerering och kylning [29].
1) Förbehandling
Använt GAK är ofta blöt vilket gör att avvattningen eventuellt behövs för att minska fukthalten i kolet. Fukthalten bör alltså ligga mellan 40 och 50% inför nästa regenereringssteg. Avvattningen kan sedan göras genom dränering. [29]
Det innebär att använt GAK placeras i ett filter vars bottenventilen öppnas så att vattnet i filtret kan rinna ut [39]. Förbehandlingen är således ett sätt att optimera det kommande steget då kolet med mindre fukthalt kan behandlas snabbare [29].
2) Regenerering
Det är tre stadier som förbehandlat GAK kommer gå igenom i det här steget och den sammanlagda tiden för de tre stadierna är 0,5 till 2 timmar. Första stadium i regenereringen är torkning, det betyder att det förbehandlade GAK förs in i en ugn vars temperaturzon ligger mellan 150 och 370 °C. Här avlägsnas återstående vattnet från kolet. [29]
I det andra stadiet kommer det torkade GAK gå igenom en så kallat pyrolys, vilket innebär att adsorberande ämnen på kolytan sönderdelas genom värme utan syre närvarande [29]. Kolet kan alltså värmas med regenereringsmedel som exempelvis är koldioxid (CO2), ånga, inert gas (ädelgas) och kvävgas (N2) osv utan att förbränning sker [43]. Här ligger temperaturen mellan 500 och 800
°C. Till att börja med avgår lättflyktiga föreningar från kolytan i gasform.
Resterande föreningar konverteras sedan till en fast form, det vill säga ett slags träkol (på engelska char). [29]
I det sista stadiet sker reaktivering, med andra ord förgasning, för träkolet.
Förgasningen görs med oxidationsmedel såsom CO2 och/eller vattenånga m.m.
vid temperaturen mellan 800 och 900°C. [29] [43] Här elimineras förkolnade rester vilket gör att adsorptionsförmåga av GAK kan återvinnas. Men det finns risk att kolstrukturen skadas om träkolet utsätts för en väldigt hög temperatur och detta kan i sin tur bidra till en kolförlust som är mellan 5 och 10%. Därmed
16
måste kolförlusten ersättas med nytt aktivt kol för varje regenerering. [43] [44]
Enligt en studie av Baresel [1] ersätts förlusten av GAK alltid vid anläggningen.
3) Kylning
Det sista steget kylning kan ske genom vattenbad av regenererade GAK.
Biprodukter med regenereringen är framförallt en avgas som innehåller föroreningar från kolet, stoft och komponenter i bränslemedel såsom CO, partiklar, NOX och SO2 osv. På grund av gasens innehåll av partiklar och stoft kan efterbehandling behövas, till exempel ett luftreningssystem. [29]
3.4.1 För- och nackdelar med termisk regenerering
Generellt anses termisk regenerering vara enkel att använda eftersom den innehåller ett fåtal komponenter som en ugn, regenereringsmedel och bränsle. Ugnen i termisk regenerering kan sedan återanvändas och
regenereringsmedel som koldioxid (CO2) samt ånga (H2O) finns ofta som resurs eller biprodukt hos ett ARV. [29] [43] [45] Regenereringen har hög effektivitet och kan uppnå 90–95 % i fullskaliga driftanläggningar.
Dessutom har regenereringen också låg kolförlust och låg askproduktion.
Asknivån bör hållas låg eftersom aska kan blockera porer. [44]
En nackdel med regenereringen är att höga temperaturer krävs, vilket innebär att mycket energi går åt [43]. Eventuella efterföljande steg där luftföroreningar hanteras kan bidra till högre energikonsumtion [46]. En hög energikonsumtionen gör det ohållbart ekonomiskt att införa denna
regenerering vid mindre anläggningar [43].
Termisk regenerering är teoretiskt möjlig att införa hos ett ARV. Vad som behövs för att göra det i verkligheten presenteras härnäst.
3.4.2 Lokal regenerering av GAK
I en termisk regenereringsanläggning lokalt behövs en ugn och en viss mängd medium för förgasningen [29]. En typ av ugn som används av Chowdhury m.fl.
[29] är roterande ugn (kallas rotary kiln på engelska). Ugnen anses ha en livslängd på 15 år, men kan ha längre livslängden med bra underhåll [47].
Chowdhury m.fl. [29] har uppskattat hur mycket ånga, syre och naturgas som behövs för att regenerera 1 pound GAK. 1 pound kan beräknas om till kg med hjälp av ekvation 4 [48]:
𝑘𝑔 = 𝑙𝑏
2,2046 (4) 1 pound GAK är ungefär 0,45 kg. De högsta värdena för ånga, syre och naturgas från Chowdhury m.fl. [29] har valts för att ha marginal. För 0,45 kg GAK behövs 0,9 kg (2 lb) ånga, 0,5 kg (1,2 lb) syre och 0,2 kg (0,33 lb) naturgas.
17
Det är vanligt att använda CO2 och ånga vid termisk regenerering enligt olika litteraturer, där CO2 används istället för syre [33] [49]. Värden av mängden CO2 som behövs har inte funnits, vilket gör att uträkning av mängd syre som skriven av Chowdhury m.fl. [29] används för att beräknas om till CO2. Enligt samråd med anställd på IVL antas det att syremängden kan bytas ut mot mängd CO2 och den beräkningen kan göras med hjälp av ekvation 6 [39]. Reaktionsformel 1 nedan visar O2 förhållande till CO2.
C + O2 → CO2 (1) För att beräkna mängd CO2 som behövs används ekvation 5 [50]. För att beräkna substansmängden till ekvation 5 används det faktum att förhållandet mellan O2 och CO2 är 1:1, och därför är nO2 = nCO2, där n är
substansmängden mol. nO2 kan beräknas med ekvation 6 [50] och därefter kan massan för CO2 beräknas med ekvation 5 [50].
𝑚 = 𝑀 ∙ 𝑛 (5)
𝑛𝑂2 = 𝑚𝑂2
𝑀𝑂2 = 𝑛𝐶𝑂2 (6)
Där,
m = massa, kg M = Molvikt, kg/mol n = substansmängd, mol
Efter beräkningen av hur mycket CO2 som behövs för regenereringen kan det studeras varifrån denna massa kan erhållas. CO2 kan hämtas från biogastillverkning enligt en anställd från IVL [39]. Som nämnts tidigare produceras biogas på Sundet och den består till 37 % av CO2, som är en restprodukt [19]. I Sundets miljörapport [19] anges det hur mycket biogas som de producerar i enheten Nm3. 37 % av den producerade mängden biogas motsvarar alltså producerad mängd CO2 och för att omvandla det till massa används ekvation 7 [50].
𝑛 =𝑃 ∙ 𝑉
𝑅 ∙𝑇 (7)
Där,
n = substansmängd, mol P = tryck, Pa
V = volym, Nm3
R = gaskonstanten, J/mol ∙ K T = temperatur, K
Sammanfattningsvis behövs ånga, CO2 och naturgas för lokal termisk
regenerering av GAK [29]. Det finns möjlighet att utnyttja ånga och CO2 hos Sundet (se avsnitt 2.1).
18
3.5 Kemisk regenerering
Termisk regenerering kräver ofta höga temperaturförhållanden vilket påverkar mängden energianvändning. Kemisk regenerering är ett möjligt alternativ till den termiska regenereringen eftersom metoden inte är lika energikrävande. [36]
[46] [51]
Det finns ett antal tekniker som ingår i kemisk regenerering, då många av dem på liknande sätt återinför aktivt kols adsorptionskapacitet. Dessa sätt handlar bland annat om förändring av pH, nedbrytning, extraktion, desorption.
Teknikerna kan dock använda olika regenereringsmedel, exempelvis natriumhydroxid, lösningsmedel och ozon. [36] [46] Regenerering med natriumhydroxid (NaOH) eller med lösningsmedel presenteras vidare i avsnitt 3.5.1 och 3.5.2
Faktorer som påverkar den kemiska regenereringen kan exempelvis vara kemisk struktur hos aktivt kol, typ av kemikalier, koncentration hos regenereringsmedel och så vidare. Vid användning av kemikalier för att regenerera aktivt kol kan strukturen hos aktivt kol ändras. [36] [51]
Kemisk regenerering används inte i större skala idag, utan metoden har enbart prövats i laboratorium. Trots att det finns många tekniker för kemisk
regenerering kan de ännu inte ersätta den termiska regenereringen som används i industrin (i större skala). Kemisk regenerering behöver mer optimering och förbättring för att kunna vara ett attraktivt alternativ. [36] [46] [51]
3.5.1 Regenerering med natriumhydroxid (NaOH)
Regenerering av aktivt kol kan ske genom kemiska reaktioner med NaOH. Men det kan också ske genom pH-förändring i aktivt kol då förändringen orsakas av NaOH. Om kolet innehåller lättlösliga föroreningar, som fenoler eller
bensoesyra, kan dessa föroreningar avlägsnas genom reaktion med NaOH.
Föroreningar som har stabila bindningar har däremot svårt att reagera med NaOH, då kan dessa föroreningar tas bort genom pH-förändringen på aktivt kols yta. NaOH är en stark bas och har ett högt pH-värde vilket gör att när aktivt kol kommer i kontakt med NaOH blir kolet så småningom negativt laddat. Laddningsförändringen hos kolet beror troligen på att de anjoniska molekylerna (de negativt laddade joner, OH- i det här fallet) i mediet NaOH adsorberas på kolytan. Om både det aktiva kolet och föroreningarna har samma laddning, det vill säga negativ laddning, kan dess molekyler repellera varandra.
Detta kan således leda till att bindningar mellan dem splittras. [36]
I en artikel av Kow, Fahmi och Abidin [52] beskrivs hur regenereringen med NaOH kan gå till, 1 g aktivt kol har använts i den här studien. Metoden består av fem steg, där det första steget innebär att kolet tvättas med kranvatten och torkas vid 105 °C under ett dygn. Därefter blandas kolet noggrant med NaOH- lösning för att sedan tvättas med varmt vatten. Slutligen torkas kolet vid 105 °C under ett dygn. [52]
19
RE påverkas av NaOH-koncentrationen. Vid användning av för höga koncentrationer av NaOH kan porer i aktivt kol blockeras, vilket minskar adsorptionsförmågan hos kolet. Därför behöver aktivt kol tvättas noga efter NaOH-behandlingen för att eliminera resterande OH-grupper på kolets yta. [36]
[46]
Biprodukter för regenerering med NaOH kan vara en lösning av föroreningar och NaOH. [46]
3.5.1.1 För- och nackdelar med regenerering med NaOH
Fördelarna med regenerering av aktivt kol med NaOH är att det inte kräver extrema förhållanden och metoden har därmed lågt energiutnyttjande.
Dessutom är NaOH en vanlig och billig kemikalie. [36] [52] [53]
En nackdel med att använda NaOH är att metoden inte har hög RE, ofta under 80 %. RE har troligen en tendens att minska när aktivt kol går igenom flera regenereringscykler. Exempelvis efter den femte regenereringscykeln blir RE ungefär 43% för fenolmättat aktivt kol. [36] [46]
3.5.2 Regenerering med lösningsmedel
Regenerering med lösningsmedel är en klassisk metod som studeras mycket. Lösningsmedel som metanol, etanol och aceton används ofta eftersom de kan separera vanliga föroreningar effektivt. Lösningsmedlets koncentration har stor påverkan på RE. [36]
Regenereringen görs i tre steg: torka, blanda och skölja. Det första steget i regenereringen med lösningsmedel är torkning av aktivt kol, för att få bort fukten som finns i kolet. Många studier visar att fukt i aktivt kol kan skapa problem vid regenereringen då det kan skapa nya föreningar. [36]
I det andra steget blandas aktivt kol med lösningsmedel. Lösningsmedlet penetrerar det aktiva kolets struktur och når porerna där föroreningarna finns. Lösningsmedlets molekyler bör vara små, till och med mindre än föroreningsmolekylerna, för att nå porerna. Föroreningarna löses sedan upp i lösningsmedlet. Om föroreningarna är stabila eller binds hårt till det aktiva kolet kan separationen av dessa bli försvårad. Elimineringen med lösningsmedlet blir då inte effektiv. [36]
Det sista steget är sköljning av aktivt kol med vatten. Det är viktigt att skölja ordentligt för att hindra blockering av aktivt kols porer. Sköljmedel som kan användas i detta steg är bland annat kallt vatten, kokande vatten eller ånga. Efter alla tre steg kan biprodukter förekomma som en
blandning av föroreningarna och lösningsmedlet. [36]
20
3.5.2.1 För- och nackdelar med regenerering med lösningsmedel
Fördelar med den här metoden är hög RE, ingen stor skada hos kolet och kort regenereringstid. RE för denna metod är 80 till 100 % för somliga föroreningar. Några studier visar att regenerering med lösningsmedlet inte ger massförluster och inte skadar den porösa strukturen hos aktivt kol, vilket är en fördel jämfört med termisk regenerering. Tiden för
regenereringen är cirka en till två timmar, vilket anses vara snabbt i sammanhanget. [36]
Problem med den här metoden är att det kräver kemikalier, vilket leder till extra kostnader och dessutom är vissa kemikalier brandfarliga exempelvis metanol och aceton. Det krävs sedan ett lågt flöde av lösningsmedel när medlet kommer i kontakt med aktivt kol för att extraktion faktiskt ska ske mellan föroreningar och lösningsmedlet. Ordentlig sköljning av lösningsmedlet krävs, för att åstadkomma bra adsorptionskapacitet hos det regenererade kolet. En metod behöver hittas för att utvinna lösningsmedel ur biproduktsblandningen. [36]
[46]
3.6 Fotokatalytisk regenerering
Med fotokatalytisk regenerering kan aktivt kols adsorptionsförmåga återställas samtidigt som föroreningar på kolet förstörs genom användning av en
fotokatalysator, som exempelvis titandioxid (TiO2) eller tennoxid (SnO2). [54]
Fortsättningsvis väljs titanoxid som regenereringsmedel att undersökas,
eftersom den är vanligt förekommande i studier. Titanoxid är ett vitt pulver och kan fungera som en fotokatalysator. Det betyder att titanoxid har förmåga att skapa fria radikaler. När titanoxid utsätts för UV-ljus (med våglängder mindre än 411 nm) kan elektroner i valensskal i titanoxid exciteras till vakant
ledningsband. Detta resulterar i att elektronerna blir reaktiva. UV-ljus kan sönderdela vattenmolekyler till syre och väte. Om det sker en kombination mellan titanoxid, vatten och UV-ljus samtidigt bildas fotokatalytiska reaktioner som ger upphov till hydroxylradikaler (OH). [55] [56] [57]
Vid fotokatalytisk regenerering kan aktivt kol impregneras med en beläggning av titanoxidkatalysator. Sedan exponeras det impregnerade kolet för vatten och UV ljus, i detta skede skapar det hydroxylradikaler (OH). De föroreningar som finns i kolets porer rörs mot ytan där titanoxiden befinner sig. Detta sker på grund av en koncentrationsskillnad mellan de inre och yttre områdena i aktivt kol. När föroreningarna når den yttre ytan av aktivt kol oxideras de av de bildade radikalerna. På så sätt kan kolet regenereras. Biprodukter som kan bildas är vatten, koldioxid, oorganiska syror och resterande reaktanter (till exempel fria radikaler OH samt titanoxidpulver). [36] [58] [59]
Kostnader för fotokatalytisk regenerering kan möjligen vara höga eftersom aktivt kol ska beläggas med titanoxid. Dessutom kan det vara kostsamt att köpa,
21
använda och underhålla de UV-enheter som skulle behövas för regenereringen.
[46]
3.6.1 För- och nackdelar med fotokatalytisk regenerering
En fördel med metoden är att den kan ta bort svåra organiska föroreningar såsom läkemedel, färgämnen, fenol och bekämpningsmedel m.m. [59]
En nackdel med metoden är att vissa studier visar att RE ofta är under 80 % och det kan bero på att titanoxid har en ljusspridningsegenskap. Vidare kan RE påverkas negativt av att hydroxylradikaler (OH) inte kan bryta ned
föroreningarna som befinner sig i de inre kolporer. Hydroxylradikaler (OH) oxiderar bara kolets yta vilket inverkar på kolets adsorptionsförmåga. [36] [46]
[54] Extra filtrering kan behövas för att få bort titanoxid, då det är svårt att avskilja titanoxidpulver från vattnet efter regenereringen. Andra nackdelar som finns med metoden är den långa regenereringstiden. Tabell 1 nedan visar RE i förhållande till regenereringstiden. Tabellen visar först att RE har nått 12 % efter 5 timmar och efter ungefär ett dygn har RE uppnått 40 %. Slutligen visar tabellen att 35 timmar efter start av regenereringen är RE fortfarande väldigt låg, nämligen 50 %. [36] [56] [58]
Tabell 1 Fotokatalytisk regenereringseffektivitet beroende på regenereringstid. [58]
3.7 Elektrokemisk regenerering
I det här avsnittet beskrivs elektrokemisk regenerering av kol, hur det fungerar och vad som påverkar tekniken. Därefter följer teknikens egenskaper och en jämförelse med termisk regenerering
Elektrokemisk regenerering innebär att ström används i en elektrokemisk cell för att sönderdela föroreningar i aktivt kol [60]. En elektrokemisk cell
innehåller två elektroder, en elektrolyt och en strömkälla [50]. Elektroder är elektriska ledare, elektronledare, och de skapar sedan elektriska förbindelser med olika typer av material (exempelvis elektrolytlösning). Elektroder är ofta gjorda av metaller. Den ena elektroden är anod, positivt laddad, och den andra är katod, negativt laddad. Elektroderna stoppas ner i en elektrolytlösning (ofta vattenlösningar) som innehåller rörliga joner. Med dessa joner kan reaktioner
Regenereringstid (h) RE (%)
5 12
8 20
13 25
15 35
20 38
25 40
28 43
30 45
35 50
22
skapas vid anod- och katodelektrod. [61] I figur 5 nedan visas uppställning av GAK, elektroder, strömkälla, elektrolyt samt GAK.
Figur 5 En uppställning av elektrokemisk cell
Det finns två varianter av en elektrokemisk cell, galvanisk cell eller
elektrolytisk cell [62]. Med elektrokemisk regenerering används elektrolytisk cell [60]. En elektrolytisk cell använder elektrisk ström för att skapa en kemisk reaktion [63]. Med hjälp av strömmen förändras pH- och saltkoncentrationen, som leder till både desorption och nedbrytning av de föroreningarna från kolytan. Den sura miljön hos elektrolyscellens anod bidrar till att organiska föreningar minskar och funktionella grupper på GAKs yta neutraliseras. Då frigörs de adsorberade föroreningarna, sedan är kolets porer inte tilltäppta längre och kolet blir återigen aktivt. [61] [64] [65] Tiden för elektrokemisk regenerering kan variera mellan 2 och 24 timmar. Ju längre regenereringstid blir, desto mindre är sannolikheten att det bildar restföroreningar. Den
biprodukten som benämnts i litteratur är den använda elektrolytlösningen. [36]
[60] [61] [66]
Teknikens RE kan enligt flertalet studier uppnå 95 % och som minst 70 %. 100
% RE kan uppnås om regenereringen sker under väldigt gynnsamma
förhållanden. [61] [64] [65] För att uppnå sådana förhållanden kräver det en bra kombination mellan olika faktorer såsom tid, elektrodtyper, strömstyrka,
koncentration av förorenade ämnen och elektrolytlösning [51].
3.7.1 För- och nackdelar med elektrokemisk regenerering
Fördelar med elektrokemisk regenerering är mångsidighet, säkerhet, kostnads- och energieffektiv, miljövänlig då elektrolyten är ofarlig. Vidare ger
regenereringen låg kolförlust. Regenereringsmetoden kan uppnå 100 % RE.
[24] [60] [67]
En nackdel med elektrokemisk regenerering är att teknikens utveckling är långsam, då metoden inte används ännu för att regenerera GAK på en
anläggning (endast labb). Detta hindrar sedan tillämpning av tekniken i större skala såsom reningsverk och industrier. Bakgrunden till den långsamma utvecklingen är att massöverföringen från GAK-porer är begränsade [61].
