2014-01-23
Upplägg
Driftoptimering – hur säkerställer vi att vi
gör rätt?
•Kort presentation av mig och biogasverksamhet på SLU
•Förutsättningarna för gasproduktion
Anna Schnürer
Inst. för Mikrobiologi, SLU, Uppsala
•Parametrar som är av betydelse för drift
•Driftövervakning och optimering av drift
Anna Schnürer, Biogasprocessen
Sveriges Lantbruks Universitet
Förutsättningar för en bra gasproduktion….
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
Samhället behöver
1. Näring (substrat) i lagom dos
- kol och energikälla
- spårelement
- vitaminer
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)
2. Lämplig miljö (Reaktorn)
- anaerob
- neutralt pH ~7-8
- jämn temperatur ~37 el.~55
- tillräckligt lång uppehållstid
…..ett samhälle av olika aktiva mikroorganismer
Anna Schnürer, Biogasprocessen
Sveriges Lantbruks Universitet
Flödesschemat för bildning av biogas
Anna Schnürer, Biogasprocessen
Sveriges Lantbruks Universitet
Vad händer om reaktormiljön inte är optimal?
Komplext organiskt material
(proteiner, polysackarider etc.)
Komplext organiskt material
(proteiner, polysackarider etc.)
Viktigt att ta hänsyn till att
1. Hydrolys
1. Hydrolys
Olika organismer med olika
närings- och omgivningskrav är
aktiva i de olika stegen
Mono-and oligomerer
(aminosyror, socker, peptider etc.)
2. Fermentation
Stegen sker med olika
hastighet. Steg 1 eller 4 är ofta
hastighetsbegränsande
Intermediära produkter
(alkoholer, fettsyror,
mjölksyror etc.)
Intermediära produkter
(alkoholer, fettsyror,
mjölksyror etc.)
3. Anaerob oxidation
Ättiksyra
4. Metanbildning
Vätgas och koldioxid
Ättiksyra
4. Metanbildning
Metan och koldioxid
Biogas
Anna Schnürer, Biogasprocessen
Instabilitet beror ofta på låg
effektivitet i det sista steget,
metanbildningen
2. Fermentation
3. Anaerob oxidation
Vätgas och koldioxid
Dålig nedbrytningsgrad beror
ofta på låg hastighet i i
hydrolysen
Mono-and oligomerer
(aminosyror, socker, peptider etc.)
Sveriges Lantbruks Universitet
Metan och koldioxid
Biogas
Anna Schnürer, Biogasprocessen
Sveriges Lantbruks Universitet
1
2014-01-23
Hämning av biogasprocessen
Hämning av biogasprocessen
Komplext organiskt material
(proteiner, polysackarider etc.)
Komplext organiskt material
(proteiner, polysackarider etc.)
1. Hydrolys
1. Hydrolys
Mono-and oligomerer
(aminosyror, socker, peptider etc.)
Mono-and oligomerer
(aminosyror, socker, peptider etc.)
2. Fermentation
2. Fermentation
Intermediära produkter
(alkoholer, fettsyror,
mjölksyror etc.)
Intermediära produkter
(alkoholer, fettsyror,
mjölksyror etc.)
3. Anaerob oxidation
3. Anaerob oxidation
Vätgas och koldioxid
Ättiksyra
Vätgas och koldioxid
Ättiksyra
4. Metanbildning
Metan och koldioxid
Biogas
Anna Schnürer, Biogasprocessen
Mer vätgas och koldioxid, minskad metan produktion,
ansamling av syror och ev sänkning av pH (”surjäsning”)
Sveriges Lantbruks Universitet
Anna Schnürer, Biogasprocessen
Sveriges Lantbruks Universitet
Viktiga parametrar för drift och övervakning
Uppehållstid
Hur vet vi att processen är effektiv/stabil?
Drift
Övervakning
Stabilitet
Uppehållstid (HRT)
Fettsyror (VFA)
Temperatur
Alkalinitet (Buffertförmåga)
Hydraulisk uppehållstid (HRT ) =
Rötkammarens volym
Inpumpad volym substrat per dygn
Hämmande ämnen (ammoniak)
Belastning (OLR)
pH
Substratets karaktär
Alkalinitet
Vilken HRT har ni och vad bestämmer denna?
Vad är en ”bra” uppehållstid?
Hur stor variation kan tillåtas?
Gassammansättning
Effektivitet
Specifik metanproduktion
Utrötningsgrad
Anna Schnürer, Biogasprocessen
Sveriges Lantbruks Universitet
Sveriges Lantbruks Universitet
Många olika parametrar inverkar på tillväxthastighet
och optimal HRT
Uppehållstiden – kopplar till organismernas tillväxthastighet!
Viktigt att HRT i en kontinuerlig process >Td
Jag gillar inte
högt pH
• Temperatur
Jag tycker
högt pH är
toppen
1
T
• pH
2
T
4
• Belastning
• Substratets sammansättning
• Hämmande ämnen
Tiden (T) det tar för cellen att fördubbla sig kallas fördubblingstid (Td)
8
Om uppehållstiden i reaktorn är kortare än fördubblingstiden kommer
bakterierna att tvättas ut ur reaktorn.
osv
De mest långsamväxande organismer som hittats i en reaktor växer med en
Td på 80 dagar. Metanbildare har 1-12 dagar.
Sveriges Lantbruks Universitet
Olika organismer påverkas olika av olika parametrar
Olika organismer är av olika betydelse för processen
Sveriges Lantbruks Universitet
2
2014-01-23
Hur väljer vi rötningstemperatur?
Skillnaden i gasproduktion vid olika temperatur kan vara
beroende av uppehållstid
Två vanliga intervall
Tillväxthastighet
Ackumulerad metanproduktion
700
Volume CH4 [Nml gVS-1]
600
Temperatur
Termofil temperatur
Mesofil temperatur
•Hög metanproduktionshastighet
•Kortare uppehållstid
•Högre belastning möjlig
•”Bra” avdödning av patogener
•Mindre stabil process
•Lägre viskositet
•Bra stabilitet
•Lägre energikonsumption
•Fler olika typer av organismer
•Bättre nedbrytningsgrad av vissa ämnen
Anna Schnürer, Biogasprocessen
Sveriges Lantbruks Universitet
400
Mesophilic
300
Thermophilic
200
100
0
0
10
20
Anna Schnürer, Biogasprocessen
TS= torrsubstans, dvs allt som inte är vatten
VS= Den organiska delen av TS
42°C
3
40°C
38°C
37°C
2
VFA content [g l-1]
Volume CH4 [ml gVS-1 day-1]
4
46°C
300
Samma volym kan innehålla olika
mycket TS
VFA
1
”Normal” belastning 1-4 KgVS/L
dag, men högre möjlig
Belastningen är beroende av
substratets karaktär samt valda
driftparametrar
0
20
40
60
80
100
120
140
160
90
70
TS
VS
VS
60
Methane prod.
100
0
100
80
Samma TS kan ha olika mycket VS
200
0
70
5
51°C
400
60
Sveriges Lantbruks Universitet
6
Fettsyror
500
50
Belastning
Metanproduktion
600
40
Belastning = Hur mycket mat får mikroorganismerna per dag
eller
Belastning = Kg VS/m3 dag
Rötning mellan mesofil och termofil temperatur – är detta möjligt?
Vad händer när temperaturen fluktuerar under drift?
Går det att ändra temperatur?
700
30
Time [Days]
Rötningstemperatur
800
15%
30%
500
VS
50
40
30
Vatten
20
10
0
180
Time [days]
Anna Schnürer, Biogasprocessen
Sveriges Lantbruks Universitet
Anna Schnürer, Biogasprocessen
Sveriges Lantbruks Universitet
Felkälla
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”?
Vatten
NH3, VFA, Etanol mm
VS
VS
Underskattad VS
Aska
Anna Schnürer, Biogasprocessen
Sveriges Lantbruks Universitet
Anna Schnürer, Biogasprocessen
Sveriges Lantbruks Universitet
3
2014-01-23
Hur effektiv är min biogasanläggning?
Volymetrisk gasproduktion (L/dag)
Gasproduktion
Volymetrisk metanproduktion (L/dag)
Specifik metanproduktion (L/Kg VS)
Gasproduktion i relation till förväntad
Utrötningsgrad
Hur effektiv är min biogasanläggning?
Anger hur väl
volymen i reaktorn
utnyttjas
Volymetrisk gasproduktion (L/dag)
Gasproduktion
Anger hur väl
substratet omsätts
till gas
Gasproduktion i relation till förväntad
Utrötningsgrad = ( 1 – (TSRK (%) x VSRK (%) / (TSsubstrat (%) x VSsubstrat (%) )) x 100
Anna Schnürer, Biogasprocessen
Sveriges Lantbruks Universitet
Anger hur väl
substratet omsätts
till gas
Specifik metanproduktion (L/Kg VS)
Utrötningsgrad
Hur stor andel av det organiska material
bryts ner? Vanligtvis ca 50-80%, men med
gödsel ofta lägre
Anger hur väl
volymen i reaktorn
utnyttjas
Volymetrisk metanproduktion (L/dag)
Hur stor andel av det organiska material
bryts ner? Vanligtvis ca 50-80%, men med
gödsel ofta lägre
Utrötningsgrad = ( 1 – (TSRK (%) x VSRK (%) / (TSsubstrat (%) x VSsubstrat (%) )) x 100
Anna Schnürer, Biogasprocessen
Sveriges Lantbruks Universitet
Ett gasproduktionsexempel
Fas 2
Substrat: gödsel + salix
Uppehållstid 38 dagar
Belastning 3 g VS/Ldag
Fas 1
Substrat: gödsel
Uppehållstid 40 dagar
Belastning 1.5 g VS/Ldag
Är det möjligt att öka utrötningsgraden?
Volymetrisk metanproduktion (ml/dag)
Hur?
2500
Varför är det viktigt att ha en hög utrötningsgrad?
Specifik metanproduktion (ml / gVS dag)
250
Gödsel + Salix
2000
200
1500
150
1000
100
Gödsel
500
50
0
0
0
20
40
60
80
100
120
140
Sveriges Lantbruks Universitet
20
40
60
80
100
120
140
160
FRÅGA:
VAD HÄNDER NÄR VI TILLFÖR SALIX? ÖKAR
EFFEKTIVITETEN?
Anna Schnürer, Biogasprocessen
VFA – flyktiga fettsyror
Gödsel + Salix
0
160
Tillförsel av salix till en gödselreaktor
Anna Schnürer, Biogasprocessen
Gödsel
Sveriges Lantbruks Universitet
VFA – flyktiga fettsyror
Nedbrytningsintermediär som minskar metanutbytet
Nedbrytningsintermediär som visar instabilitet
GR2
800
Metanproduktion
600
5
51°C
4
46°C
500
42°C
400
3
40°C
300
38°C
37°C
2
200
1
100
0
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
GQ2
Methane prod.
VFA
Sveriges Lantbruks Universitet
12
10
8
6
4
Metan
Acetate
Propionate
2
0
0
50
0,5
0,45
0,4
0,35
0,3
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0
100
150
200
250
300
350
12
10
8
6
4
Methane
Acetate
Propionate
2
0
0
Time [days]
Anna Schnürer, Biogasprocessen
180
VFA content [g l-1]
Volume CH4 [ml gVS-1 day-1]
700
0,5
0,45
0,4
0,35
0,3
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0
6
Fettsyror
50
100
Anna Schnürer, Biogasprocessen
150
200
250
300
Sveriges Lantbruks Universitet
4
2014-01-23
VFA
pH/alkalinitet
Stabil nivå – visar ineffektivitet men innebär vanligtvis inte process”problem”
Stadigt ökande nivå – indikerat instabilitet och kan leda till ”krasch”
Alkalinitet = buffertförmåga
Beror på karbonatjoner och även ammoniumjoner
NH4+
HCO3-
CO32-
TA = total alkalinitet
BA = bikarbonat alkalinitet
Ackumulering av acetat vanligtvis inte så allvarligt problem
Ackumulering av propionat = oftast tecken på allvarligare typ av störning
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.
propionat
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
Anna Schnürer, Biogasprocessen
Sveriges Lantbruks Universitet
Övervakningsprogram
Analys
Ofta
VFA
X
Alkalinitet
Medel
Receptet för en effektiv biogas process
Sällan
X
TS/VS
X
NH4+-N
X
Total N
X
X
Övervakningsprogrammet beror på drift och substrat
-
Sveriges Lantbruks Universitet
X
pH
Gassammansättning
Anna Schnürer, Biogasprocessen
Samma substrat och likvärdig drift behövs inte så tät provtagning
Optimering av drift och eller förändring av substrat kräver tätare provtagning
Behandla den som en ko
-lagom dos näringsrik och varierad mat på regelbundna tider
-kontrollera ”hälsan” regelbundet
-behandla e v sjukdomar
-”prata” med den
Anna Schnürer, Biogasprocessen
Sveriges Lantbruks Universitet
5
