Ammoniakoxidation och ammoniakhämning

Nitrifikationsprocessen består av två delprocesser, ammoniumoxidation och nitritoxidation. De mikroorganismer som genomför ammoniumoxidationen brukar kallas ammoniumoxiderare eller på engelska ammonia-oxidising bacteria (AOB) eller ammonia-oxidising archaea (AOA). De sistnämnda nyupptäckta ammoniumoxiderarna är alltså inte bakterier utan arkéer, men har, vad jag vet om, inte hittats på avloppsreningsverk ännu. Som ni märker är de engelska benämningarna ammonia-oxidising och inte ammonium-oxidising. Skälet till detta är att ammoniak (NH₃) anses vara det egentliga substratet för ammoniumoxiderarna. Ammoniak står i jämvikt med ammonium, och dess koncentration kan beräknas om pH, temperatur och ammoniumkoncentrationen är känd. På svenska borde vi alltså använda ammoniakoxiderare. Googlar man ammoniakoxiderare får en enbart en sökträff!

Ammoniak hämmar både ammoniakoxiderare och nitritoxiderare, men ammoniakoxiderare tål betydligt högre koncentrationer än nitritoxiderarna. Nyligen uppmärksammade Jaroszynski et al. (2011) att även anammoxbakterierna påverkas negativt av ammoniaken. Anammox står för den delen för anaerobic ammonium oxidation, men ofta skrivs det anaerobic ammonia-oxidising bacteria i litteraturen, och troligen är ammoniaken även substratet för anammoxbakterierna. Anammoxbakterierna är alltså också AOB, d v s på engelska bör man skriva aerobic AOB (aerAOB) och anaerobic AOB (anAOB). 

Nitritoxiderarna och dess substrat salpetersyrlighet (HNO₂) diskuterar vi en annan gång….

Enklare än så här blir inte kväverening

Den enklaste formen av kväverening på avloppsreningsverk är nitritation av rejektvattnet från avvattnat rötat slam i en kemostat. Rejektvattnet bidrar normalt med 15-20 % av den totala kvävebelastningen på ett reningsverk. Ofta värmeväxlar en inte ned ett mesofilt rötat slam, vilket gör att rejektvattnet inte bara innehåller höga halter av ammonium utan är också varmt, över 30ᵒC.

 I en kemostat är den hydrauliska uppehållstiden densamma som slamåldern (HRT = SRT).

Vid så höga temperaturer behövs ingen lång slamålder för att erhålla de kemoautotrofa ammoniumoxiderarna, och nitritoxiderarna kan tvättas ur på grund av att dessa växer långsammare än ammoniumoxiderarna vid temperaturer över drygt 20ᵒC. Genom att undvika nitritoxidationen kan upp till 25 % av luftbehovet minska teoretiskt. Hellinga et al. (1998) visar tillväxtkurvor för ammoniumoxiderare och nitritoxiderare som funktion av temperaturen, som är framtagna på labb.

Genom att hålla en aerob hydraulisk uppehållstid (HRT) i kemostaten på ca 0,5 dygn vid en temperatur på 35ᵒC ska en kunna få till en kultur av ammoniumoxiderare. Dock kan man inte räkna med att få en ammoniumoxidation som blir mer än ca 50 %. Problemet är att rejektvattnet enbart innehåller ca 1,1 mol alkalinitet (i HCO₃^-) per mol ammoniumkväve medan 1 mol oxiderat ammoniumkväve genererar 2 mol vätejoner. Alltså försurar ammoniumoxidationen sin omgivning, pH sjunker, vilket påverkar ammoniumoxidationen negativt genom att lågt pH i sig inte är bra, men också för att lågt pH innebär att det blir svårare för ammoniumoxiderarna att utnyttja det icke-organiska kolet i vattnet och ammoniumen. För att få tillstånd mer ammoniumoxidation måste alltså alkalinitet tillsättas antingen direkt genom t ex tillsats av lut eller indirekt genom denitrifikation med tillsats av extern kolkälla. Det sistnämnda är att föredra rent kostnadsmässigt.

Men återigen, det enda man behöver göra för att få bort ca 7-10% av sitt kväve på ett avloppsreningsverk är att lufta sitt rejektvatten i en kemostat med en HRT på 0,5 dygn och släppa vattnet till inkommande vatten för att därefter denitrifiera detta kväve i de inledande oluftade aktivtslamzoner med inkommande lättillgängliga organiska kolföreningar.  Nu vet inte jag om 0,5 dygn räcker i praktiken. Jag vet att man i Rotterdam använder sig av 1,4 dygns aerob HRT i en sådan här reaktor i fullskala. När man kom fram till 0,5 dagar på labb pH-justerades nog försöken.

Den svåraste typen av kväverening på avloppsreningsverk är nog anammox i huvudströmmen, eller varför inte ammoniumadsorption eller - jonbyte.  

Industriers varaktig samlevnad!

Enligt Nationalencyklopedin så betyder symbios varaktig samlevnad mellan olika typer av organismer. Utanför Norrköping finns en form av industriell symbios, Händelö energikombinat. Med industriell symbios menas att man behandlar flöden av främst restprodukter mellan företag. Exempelvis produceras två förnybara bränslen i symbios med kraftvärmeverket där energiproduktionen till största del baseras på biobränslen. Universitetet i regionen är också starkt knutet till Händelö. Framförallt avdelningen industriell miljöteknik på Linköpings universitet. Jag har läst bland annat kurserna Biofuels for Transport och Industrial Ecology. Rekommenderas!

Jag kom att tänka på Händelö igen för att jag under veckan läst ikapp lite Ny Teknik och fick upp ögonen om artikeln från förra veckans nummer om att gasjätten Aga och Lantmännen Agroetanol ska bygga en storskalig koldioxidfabrik på Händelö i Norrköping. Lantmännen tillverkar etanol till fordon och djurfoder, i processen frigörs stora mängder koldioxid. I dag släpps allt ut i atmosfären, men den nya fabriken ska i stället fånga upp, rena och komprimera gasen och därefter ska den transporteras till Agas kunder. Produktionen ska vara i drift hösten 2013.

Koldioxid kan till exempel användas till att framställa aceton. Ett forskarlag under ledning av professor Hubert Bahl vid universitetet i Rostock har fått omkring 15 miljoner kronor för att ta fram metoder att jäsa fram aceton med hjälp av mikroorganismer och koldioxid. Projektet löper under tre år.

Även plast kan framställas med hjälp av koldioxid. Ny Teknik skriver att norska Norner har ägnat flera år åt att utveckla nya plastmaterial baserade på koldioxid. Nu bygger institutet en pilot- och demonstrationsanläggning i norska Grenland, en investering som motsvarar 64 miljoner svenska kronor. Den ska vara i drift år 2014 och är öppen för företag som vill licensiera tekniken för att utveckla egna ”gröna” plastprodukter. Spännande!

Förresten så gick Stora Energipriset 2011 som delas ut årligen av SWECO till just Händelö energikombinat.

Bilden nedan visar industriklustret på Händelö.

  

Seminarium om FoU inom biogasproduktion i Sverige

Igår var både jag och Susanne på ett biogasseminarium i Stockholm, kallat FoU Biogas från slam och avfall, som anordnades av Avfall Sverige, SGC, Svensk Fjärrvärme och Svenskt Vatten. Hela 68 pers var samlade för att höra det senaste inom svensk FoU inom biogasområdet.

Svenska Dagbladets artikel ”Biogasfordon ger ingen miljövinst” år 2004 inspirerade, enligt dagens första talare Magnus Andreas Holmgren på SP , biogasbranschen till att börja jobba med metanslip från biogasanläggningar. Han presenterade vidare tankar och resultat från mätningar från ”Frivilligt åtagande” och från sin SGC-rapport nr 238 ”Värdering och utveckling av mätmetoder för bestämning av metanemissioner från biogasanläggningar – litteraturstudie”. Det frivilliga åtagandet har lett fram till metanslipsiffrorna 2,5 % och 2,1 % för produktion av biogas och uppgradering av biogasen, som ska användas för att beräkna om Lagen om hållbarhetskriterierna uppfylls, om en själv inte gör egna mätningar. Magnus kommer att jobba vidare med mätmetoder från öppna ytor. Tillägga bör att Magnus gav avloppsreningsverken en känga för att enbart ett (Linköping) av de 135 biogasproducerande avloppsreningsverken har genomgått ett frivilligt åtagande. Det bara att instämma att det är för dåligt!  

Nästa speaker var Erik Nordell från Svensk Biogas (inte Swedish Biogas och inte Scandinavian Biogas), utan Svensk Biogas, som är ett dotterbolag till Tekniska Verken i Linköping, inte i Lidköping. Han berättade om labbförsök med efterrötning vid 25ºC för kontroll av metanslip i öppna rötrestlager. Det mest intressanta de hade kommit fram till vara att när en störning skedde i huvudrötningen, vilket genererar högre VFA-halter, ökade även metanproduktionen i efterrötningen, vilket kanske inte är helt oväntat.

Vidare presenterade My Carlsson på AnoxKaldnes försök gjorda med termofil förhydrolys dels för att få ökad biogasproduktion och dels för att få till hygienisering. Blandslam från VA SYD, Gryaab och NSVA användes. Gasproduktionen låg mellan -8 till +18% jämfört med utan förhydrolys, Salmonella var frånvarande, medan detektionsgränsen för mätning av E. coli och Enterococcer var alldeles för hög för att kunna uppfylla de föreslagna kraven för dessa bakterier vid hygienisering. Problemet verkar vara att de föreslagna <-halterna är uttryckta i torrvikt och inte i våtvikt. Dock var resultaten svårtydbara gällande hygieniseringseffekten, kanske p g a kontaminering. Viktiga slutsatser var också att hydrolysgasen bör ledas in i efterföljande rötkammare och att intermittent matning kan ge höga vätgashalter. Rapporten med alla resultat kommer inom kort på SGC:s hemsida. Förstudierapporten hittar du här, SGC 215.  Snart där efter äntrade fd Gryaabsonen Ola Fredriksson (numera på Aquateam, men kommer snart hem till Gryaab igen (helt enligt planerna)) scenen och ville förtälja att det där med förhydrolys har man hållit på med på VEAS i Oslo i 17 år redan. VEAS har kraftig förfällning med efterföljande biofilmsprocesser för nitrifikation och denitrifikation. VEAS uppvisar en mycket hög nedbrytningsgrad av VS (ca 65 %). Ola överförde dessa siffror för Gryaabs del. Om Ryaverket skulle öka sin VS-reduktion i rötkammarna från 50 % till 60 % skulle Gryaab kunna sänka sina driftkostnader med 2 miljoner om året (mer metan och mindre slam). Hydrolysprocessen verkar klara av att VFA-halterna sticker iväg ibland, och ett samband med att skumningen minskar när hydrolysen är sur (BA var negativt) verkade tydligt. Många meter skum är det normala fall (minns inte hur många).

Växjö har mycket på gång på Sundets ARV, och igår presenterade processingenjör Anneli Andersson Chan och JTI:s Gunnar Rogstrand resultat från försök gjorda på Sundet. De har testat att förtjocka det rötade slammet i en bandavvattnare till ca 9 % TS för att sedan pastörisera slammet (hygienisering) och efter det få ut mer metan i en efterrötning. Pastöriseringen sänker slammets viskositet, vilket gör att omrörningen funkar vid så höga TS-halter. Jag tror att den viktigaste slutsatsen av försöken var att det var omöjligt att avvattna slammet i slutändan, troligen p g a att pastöriseringen påverkade den tillsatta polymeren i förtjockningen till den grad att slutprodukten blev en sirapsliknande lösning som det inte gick att blanda in polymer i.

Även årets Vatten-pristagare Jes la Cour Jansen höll ett föredrag på seminariet. Han pratade allmänt om hur FoU kan hjälpa till för att öka biogasproduktionen på avloppsreningsverk, men påpekade samtidigt att den stora potentialen för biogasproduktion i Sverige inte finns i avloppslammet (enbart 7 % av de totalt 10,6 TWh/år exklusive råvara från skog). Dock är det idag de 135 biogasproducerande avloppsreningsverk som står för den absolut största delen av biogasproduktionen! Jes påminde oss också om att det har testats många olika metoder för att öka utrötningen på avloppsreningsverk, men det är fortfarande ingen metod som riktigt har fått fart och har etablerat sig på många verk. Så det finns fortfarande att göra! Han påpekade också att bio-P ger mindre slam vilket ökar uppehållstiden för slammet i rötkammare, dock påverkar ökade mängder svavelväte negativt.

Vi fick också höra föredrag om föroreningar i biogasen före och efter uppgradering, katalytisk förbränning av metanslip från gasuppgadering, syntrofa acetatoxiderare som gynnas av höga ammoniakhalter och torrötning av ”rejekt” från förbehandling av matavfall.  

Idag var vi på Hammarby Sjöstadsverk, första gången för oss båda, för ett många timmars mycket inspirerande möte med KTH om anammox-FoU. Men det blir mer om anammox i huvudströmmen eller mainstream anammox (= Manammox) någon annan gång!