Evaluation of pretreatment methods for increased biogas production from macro algae

Huili Li, Hamse Kjerstadius, Ellinor Tjernström, Åsa Davidsson, 2013.

SAMMANFATTNING

Övergödningen av Östersjön orsakar ökad produktion av snabbväxande tång vilket ger direkta och indirekta negativa effekter på det marina ekosystemet. Två exempel är att habitat med bottenväxande tång trängs undan och att friflytande snabbväxande tång ansamlas i stora sjok som sjunker till botten där syrekonsumtionen under nedbrytning skapar syrefria bottnar med påföljande negativa effekter
för djurliv. Vidare har tång när det spolas upp på stränderna kring Östersjön negativ inverkan på turistindustri och rekreationsvärden då tången ruttnar och avger illaluktande vätesulfid. Rötning av uppspolad eller strandnära tång skulle kunna vara ett sätt att minska de negativa effekterna och samtidigt producera energirik biogas. Dock finns det praktiska problem med att göra detta då tångens struktur gör den svårhanterad med konventionell rötkammarteknik som baseras på hantering av en lättpumpad vätskefas. Många tångarter har seg ytstruktur som är svår att bearbeta mekaniskt till en sådan västkefas och därför skulle förbehandling av tången kunna underlätta både hantering vid transport och pumpning men även eventuellt öka hastigheten på mikrobiell nedbrytning vid rötning för biogasproduktion.

Inom denna studie undersöktes effekten av mekanisk och enzymatisk förbehandling på tre olika arter av tång; Fucus vesiculosus (blåstång), Furcellaria lumbricalis (kräkel) och fintrådiga rödalger samt på sjögräset Zostera marina (ålgräs). Vidare analyserades arterna för torrsubstanshalt (TS), glödförlust (VS) samt innehåll av kväve och kol varav det senare användes för att beräkna COD-innehåll. Alla prover hämtades in i strandnära vatten vid Trelleborg under oktober 2012 och artbestämdes med expertis från Trelleborgs stad. Proverna sköljdes sedan i vatten för att rensa ut sand och övrigt material och förvarades i kyl vid 5 °C inför analys. Som mekanisk förbehandling utvärderades effekten av att hantera en blanding av tång och vatten i en trycksatt kammare varefter den pressades genom en spaltöppning med en hastighet av omkring 300 m/s genom kombination av tryckskillnad och press med pistong. Detta gav en tillsynes lätthanterlig tjock vätska för samtliga undersökta arter. Enzymatisk förbehandling utfördes genom att blanda tångprover med vatten och tillsätta enskilda enzym eller kombinationer av cellulas, hemicellulas, pectinas och proteas. Temperatur och pH justerades för att hamna inom ett optimalt intervall för de undersökta enzymerna. För samtliga prover hölls en konstant temperatur vid 50 °C under försöken medan pH initiellt justerades till 5.0 för cellulas, hemicellulas, pectinas samt blandning av de tre. pH vid behandling med protease justerades initiellt till 8.0. Samtliga försök utom de initiella experimenten utfördes genom att kombinera behandling med en blanding av cellulas, hemicellulas, pectinas under 5 h varefter blandingarna behandlades med proteas under 1.5 h. Att bedriva försöken vid så hög temperatur som 50 °C motiverades av syftet att undersöka den maximala potentialen av enzymatisk förbehandling. Vid enzymatisk förbehandling testades både obehandlad tång samt den mekanisk förbehandlad tången. Effekten av respektive förbehandlingsmetod utvärderades genom att mäta halten löst COD (sCOD) i de behandlade proverna efter filtrering genom filterpapper med 2-3 μm pordiameter. För mekanisk förbehandlade prover mättes denna enbart vid bladning med vatten i start av de enzymatiska försöken medan förändringen av sCOD mättes vid flera tillfällen under den 6.5 h långa förbehandlingen med enzym. Vidare mättes förändringen av sCOD även på tångprover till vilka enzym inte tillsatts men som under samma behandlingstid hettades upp till 50 °C. Baserat på halterna av sCOD och arternas förekomst vid uppsamlingsplatsen valdes de tångarter som visade de mest lovande resultaten ut och metanpotentialen för både förbehandlad tång och obehandlad tång fastställdes för dessa arter. Vid metanpotentialsförsöken användes ymp från fullskalerötkammare vid Sjölunda avloppreningsverk i Malmö och försöken bedrevs vid 35 °C. Vidare utfördes en grov beräkning av energiåtgång för förbehandling kontra energiinnehållet i producerad metan från rötning av tång för respektive kombination av förbehandling respektive obehandlad tång. Energiberäkningen inkluderade den kinetiska energin som krävdes för att förflytta den blandning av tång och vatten som behandlades genom den mekaniska förbehandlingen samt energi för drift av den prototypmaskin som användes vid försöken med en antagen verkningsgrad på 50%. Vidare beräknades energiåtgången för att hetta upp blandningarna av tång och vatten till 50 °C under den enzymatiska förbehandlingen. Som ett alternativt scenario beräknades även nettoenergivinsten ut för mekanisk förbehandlingen med mindre andel vatten samt då värmen för uppvärmning av enzymatisk behandling kunde tillgodoses utan kostnad.

Resultaten visade att koncentrationen av sCOD kan ökas kraftigt genom mekanisk eller enzymatisk förbehandling jämfört med den från obehandlad tång i vatten. Bäst resultat erhölls för de tångarter med tillsynes mest svårbehandlad ytstruktur (Fucus vesiculosus och Furcellaria lumbricalis) men goda resultat erhölls även för den vanligt förekommande fintrådiga rödalgen. För sjögräset ålgräs gav vare sig mekanisk eller enzymatisk förbehandling någon fastställbar effekt på sCOD jämfört med obehandlade prover. Det bör dock hållas i åtanke att proverna vid enzymatisk
förbehandling hettades upp till 50 °C under 6.5 h vilket på blankproverna utan enzym visades ge en en nästan lika stor effekt på ökning av CODkoncentrationen som i proverna med enzym. Baserat på resultaten och det faktum att röd filamentbildande tång var en vid provområdet mycket vanligt förekommande problematisk snabbväxande tång valdes Fucus vesiculosus och rödfilamentbildande
tång ut för utrötningsförsök för fastställande av metanpotential. Resultaten från de satsvisa utrötningsförsöken visade att mekanisk förbehandling ökade metanbildningshastigheten för båda de undersökta tångarterna (Fucus vesiculosus och fintrådiga rödalger). Enzymatisk förbehandling ökade metanproduktionen för de flesta proverna, men i mycket mindre utsträckning än mekanisk förbehandling.
För tång med styvare ytstruktur (Fucus vesiculosus) kunde den slutliga metanpotentialen ökas med 100% genom förbehandling gentemot metanpotentialen för icke-förbehandlad tång (131 NL CH4/kg VS respektive 67 NL CH4/kg VS) men för fintrådiga rödalger var den slutliga metanpotentialen densamma i förbehandlade och icke-förbehandlade prover (omkring 220 NL CH4/kg VS). De erhållna metanpotentialerna för icke-förbehandlade tångprover låg omkring tidigare rapporterade värden från liknande försök och var låga i förhållande till substrat som avloppsslam och matavfall. Vidare var metanpotentialerna uttryckt i enheterna NL CH4/kg COD låga i förhållande till det teoretiska maximumet på 350 NL CH4/kg COD. Resultaten för energianalysen visade att energianvändningen för förbehandling (mekanisk pressning eller för uppvärmning av prov under enzymatisk behandling) sänkte nettoenergivinsten så mycket att det bästa alternativet, ur ett energiperspektiv, var att röta tång utan förbehandling. För det alternativa scenario där en mer fördelaktig blandning av vatten och tång förbehandlats mekaniskt samt värmen för enzymatisk förbehandling antogs tillgodoses utan kostnad gav endast kobinationen av mekanisk och enzymatisk förbehandling på arten Fucus vesiculosus högre nettoenergivinst än rötning av obehandlad rå tång. Detta visar att den ekonomiska nyttan med förbehandling av Fucus vesiculosus eller fintrådiga rödalger är väldigt låg, särskilt då energiberäkningen inte inkluderade uppsamling eller transport av dessa tångarter. Den positiva effekten av arbeta med ett substrat som är enkelt att transportera och pumpa vilket erhålls genom mekanisk förbehandling är dock inte inkluderad i den ekonomiska analysen.

Läs hela rapporten i denna PDF