2014-01-23 1

(1)

Driftoptimering – hur säkerställer vi att vi gör rätt?

Anna Schnürer

Inst. för Mikrobiologi, SLU, Uppsala

Upplägg

•Kort presentation av mig och biogasverksamhet på SLU

•Förutsättningarna för gasproduktion

•Parametrar som är av betydelse för drift

•Driftövervakning och optimering av drift

Anna Schnürer, Biogasprocessen Sveriges Lantbruks Universitet

Vem är jag och vad sker på SLU?

Samverkanlektor i bioenergi vid SLU med uppdrag att samverka med samhället och föra ut forskningsresultat i praktiken. Jobbat med biogas i 25 år. Fokusområde, mikrobiologi och kopplingar till effektivitet och stabilitet av biogasprocessen

SLU har forskning inom många olika områden i hela biogasproduktionskedjan och har också en egen

produktionsanläggning vid Lövsta. Vår verksamhet finns beskriven på länken (http://www.slu.se/biogas)

Förutsättningar för en bra gasproduktion….

…..ett samhälle av olika aktiva mikroorganismer Samhället behöver 1. Näring (substrat) i lagom dos

- kol och energikälla - spårelement - vitaminer 2. Lämplig miljö (Reaktorn)

- anaerob - neutralt pH ~7-8 - jämn temperatur ~37 el.~55 - tillräckligt lång uppehållstid

Komplext organiskt material (proteiner, polysackarider etc.)

Mono-and oligomerer (aminosyror, socker, peptider etc.)

Intermediära produkter (alkoholer, fettsyror,

mjölksyror etc.)

Vätgas och koldioxid

3. Anaerob oxidation

Metan och koldioxid Biogas 4. Metanbildning

1. Hydrolys

Flödesschemat för bildning av biogas

Ättiksyra

Viktigt att ta hänsyn till att

Olika organismer med olika närings- och omgivningskrav är aktiva i de olika stegen

Stegen sker med olika hastighet. Steg 1 eller 4 är ofta hastighetsbegränsande 2. Fermentation

mjölksyror etc.)

1. Hydrolys

Vad händer om reaktormiljön inte är optimal?

Ättiksyra

Dålig nedbrytningsgrad beror ofta på låg hastighet i i hydrolysen

Instabilitet beror ofta på låg effektivitet i det sista steget, metanbildningen 2. Fermentation

(2)

mjölksyror etc.)

1. Hydrolys

Ättiksyra 2. Fermentation

Hämning av biogasprocessen

Mer vätgas och koldioxid, minskad metan produktion, ansamling av syror och ev sänkning av pH (”surjäsning”)

mjölksyror etc.)

3. Anaerob oxidation 1. Hydrolys

Ättiksyra 2. Fermentation

Hämning av biogasprocessen

Viktiga parametrar för drift och övervakning Hur vet vi att processen är effektiv/stabil?

Uppehållstid (HRT)

Temperatur

Belastning (OLR)

Substratets karaktär

Drift Övervakning

Fettsyror (VFA) Alkalinitet (Buffertförmåga) Hämmande ämnen (ammoniak) pH

Alkalinitet Gassammansättning

Specifik metanproduktion Utrötningsgrad

Stabilitet

Effektivitet

Uppehållstid

Hydraulisk uppehållstid (HRT ) = Rötkammarens volym

Sveriges Lantbruks Universitet

Inpumpad volym substrat per dygn

Vilken HRT har ni och vad bestämmer denna?

Vad är en ”bra” uppehållstid?

Hur stor variation kan tillåtas?

Uppehållstiden – kopplar till organismernas tillväxthastighet!

1

2

4

8

osv Tiden (T) det tar för cellen att fördubbla sig kallas fördubblingstid (Td)

Om uppehållstiden i reaktorn är kortare än fördubblingstiden kommer bakterierna att tvättas ut ur reaktorn.

De mest långsamväxande organismer som hittats i en reaktor växer med en Td på 80 dagar. Metanbildare har 1-12 dagar.

T

Viktigt att HRT i en kontinuerlig process >Td

Sveriges Lantbruks Universitet Sveriges Lantbruks Universitet

Många olika parametrar inverkar på tillväxthastighet och optimal HRT

• Temperatur

• pH

• Belastning

• Substratets sammansättning

• Hämmande ämnen

Olika organismer påverkas olika av olika parametrar Olika organismer är av olika betydelse för processen

Jag gillar inte högt pH

Jag tycker högt pH är toppen

(3)

Hur väljer vi rötningstemperatur?

•Bra stabilitet

•Lägre energikonsumption

•Fler olika typer av organismer

•Bättre nedbrytningsgrad av vissa ämnen Mesofil temperatur

Två vanliga intervall

Termofil temperatur

•Hög metanproduktionshastighet

•Kortare uppehållstid

•Högre belastning möjlig

•”Bra” avdödning av patogener

•Mindre stabil process

•Lägre viskositet

Tillväxthastighet

Temperatur

0 100 200 300 400 500 600 700

0 10 20 30 40 50 60 70

Volume CH4 [Nml gVS-1]

Time [Days]

Ackumulerad metanproduktion

Mesophilic Thermophilic

Skillnaden i gasproduktion vid olika temperatur kan vara beroende av uppehållstid

30% 15%

51°C 46°C

42°C 40°C

38°C 37°C

Rötningstemperatur

Anna Schnürer, Biogasprocessen Sveriges Lantbruks Universitet 0 1 2 3 4 5 6

0 100 200 300 400 500 600 700 800

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

VFAcontent[gl-1]

VolumeCH4[mlgVS-1day-1]

Time [days]

Methane prod.

VFA Metanproduktion

Fettsyror

Rötning mellan mesofil och termofil temperatur – är detta möjligt?

Vad händer när temperaturen fluktuerar under drift?

Går det att ändra temperatur?

Belastning

Belastning = Hur mycket mat får mikroorganismerna per dag eller

Belastning = Kg VS/m³ dag

Samma volym kan innehålla olika mycket TS

Samma TS kan ha olika mycket VS

”Normal” belastning 1-4 KgVS/L dag, men högre möjlig

Belastningen är beroende av substratets karaktär samt valda driftparametrar

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

TS VS

Vatten VS

VS TS= torrsubstans, dvs allt som inte är vatten VS= Den organiska delen av TS

Felkälla

VS Aska NH3, VFA, Etanol mm

Vatten

Underskattad VS VS

Flyktiga ämnen avgår redan under en TS analys. Kan leda till ”felaktig” belastning.

Vilken belastning har du och hur vet du att är att den är

”bra”?

(4)

Hur effektiv är min biogasanläggning?

Gasproduktion

Volymetrisk gasproduktion (L/dag)

Volymetrisk metanproduktion (L/dag) Specifik metanproduktion (L/Kg VS)

Utrötningsgrad Hur stor andel av det organiska material bryts ner? Vanligtvis ca 50-80%, men med gödsel ofta lägre

Gasproduktion i relation till förväntad

Utrötningsgrad = ( 1 – (TSRK (%) x VSRK (%) / (TSsubstrat (%) x VSsubstrat (%) )) x 100 Anger hur väl volymen i reaktorn utnyttjas Anger hur väl substratet omsätts till gas

Hur effektiv är min biogasanläggning?

Gasproduktion

Volymetrisk gasproduktion (L/dag)

Volymetrisk metanproduktion (L/dag) Specifik metanproduktion (L/Kg VS)

Utrötningsgrad Hur stor andel av det organiska material bryts ner? Vanligtvis ca 50-80%, men med gödsel ofta lägre

Gasproduktion i relation till förväntad

Utrötningsgrad = ( 1 – (TSRK (%) x VSRK (%) / (TSsubstrat (%) x VSsubstrat (%) )) x 100 Anger hur väl volymen i reaktorn utnyttjas Anger hur väl substratet omsätts till gas

Är det möjligt att öka utrötningsgraden?

Hur?

Varför är det viktigt att ha en hög utrötningsgrad?

0 500 1000 1500 2000 2500

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Anna Schnürer, Biogasprocessen Sveriges Lantbruks Universitet Gödsel

Gödsel + Salix Volymetrisk metanproduktion (ml/dag)

Tillförsel av salix till en gödselreaktor

Ett gasproduktionsexempel

Fas 1 Substrat: gödsel Uppehållstid 40 dagar Belastning 1.5 g VS/Ldag

Fas 2 Substrat: gödsel + salix Uppehållstid 38 dagar Belastning 3 g VS/Ldag

FRÅGA:

VAD HÄNDER NÄR VI TILLFÖR SALIX? ÖKAR EFFEKTIVITETEN?

0 50 100 150 200 250

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Specifik metanproduktion (ml / gVS dag) Gödsel

Gödsel + Salix

51°C 46°C

42°C 40°C

38°C 37°C

Anna Schnürer, Biogasprocessen Sveriges Lantbruks Universitet 0 1 2 3 4 5 6

0 100 200 300 400 500 600 700 800

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

VFAcontent[gl-1]

VolumeCH4[mlgVS-1day-1]

Time [days]

Methane prod.

VFA Metanproduktion

Fettsyror

Nedbrytningsintermediär som visar instabilitet

VFA – flyktiga fettsyror

Nedbrytningsintermediär som minskar metanutbytet

0 2 4 6 8 10 12

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5

0 50 100 150 200 250 300

GQ2

Methane Acetate Propionate

0 2 4 6 8 10 12

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5

0 50 100 150 200 250 300 350

GR2

Metan Acetate Propionate

VFA – flyktiga fettsyror

(5)

VFA

Stabil nivå – visar ineffektivitet men innebär vanligtvis inte process”problem”

Stadigt ökande nivå – indikerat instabilitet och kan leda till ”krasch”

Ackumulering av acetat vanligtvis inte så allvarligt problem Ackumulering av propionat = oftast tecken på allvarligare typ av störning

propionat

pH/alkalinitet

Alkalinitet = buffertförmåga

Beror på karbonatjoner och även ammoniumjoner TA = total alkalinitet

BA = bikarbonat alkalinitet

Förändras tidigare än pH ändras och följer ofta halt av VFA och ammoniumkväve BA för stabila processer ca 3000-15000 mg HCO3/L

pH bäst mellan 7-8.

Låg alkalinitet innebär låg tolerans mot syrabildning och risk för pH sänkning VFA/TA kvoten kan användas för att få en indikation på processtabilitet

<0.3 stabil process 0-3-0.5 viss instabilitet

>0.5 tydlig instabilitet

NH4+ HCO3- CO32-

Övervakningsprogram

Analys Ofta Medel Sällan

VFA X

Alkalinitet X

pH X

TS/VS X

NH4+-N X

Total N X

Gassammansättning X

Övervakningsprogrammet beror på drift och substrat - Samma substrat och likvärdig drift behövs inte så tät provtagning - Optimering av drift och eller förändring av substrat kräver tätare provtagning

Receptet för en effektiv biogas process

Behandla den som en ko

-lagom dos näringsrik och varierad mat på regelbundna tider -kontrollera ”hälsan” regelbundet

-behandla e v sjukdomar -”prata” med den