MONIT TERING GS REVIEW OG G GUIDE E til optim mering af an naerob udrå ådning og biometan p produceren nde anlæg
SA AMMENDR RAG
Forfattere: Sand dra Esteves, Sustainable Environmen nt Research C Centre, Unive ersity of Glam morgan (Walles, UK) Miltner, Vienn na University of Technology (Austria) Martin M S Sascha Fletc ch, Landes E Energie Verein (LEV) Steie ermark (Austtria)
As Part Delivery of:
Promo otion of bio-methane an nd its markett developme ent through local and re egional partn nerships A project un nder the Inte elligent Ene ergy – Europ pe programm me Contract Numbe er: IEE/10/13 30; Deliverab ble Referenc ce: Task 5.2 2; Delivery D Date: Octobe er 2012
Indho old 1.
Rap pportens form mål .................................................................................................................................. 3
2.
Beh hov for at mo onitere udråd dningsprocesssens effektivvitet, substraater og produ ukt karakteristika ....... 5
3.
Guide til moniteering af param metre og meetoder .................................................................................... 10
4.
Gen nerelle Anlæggsparameterrs (design, drrift og ydeevn ne) .................................................................... 22
5.
Måleprincipper og teknikkerr benyttet til monitoring af rådnetankke og bio‐meetan anlæg ................ 24
6.
nklusion .............................................................................................................................................. 27 Kon
7.
Referencer .............................................................................................................................................. 29
Ansvars sfraskrivelse e: Alene forfatterne er a ansvarlige fo or indholdet i denne rapport. Indholde et giver ikke nødvendigviss et billede n Europæiske e Union. Hve erken Executtive Agency ffor Competitiveness and Innovation af holdniingerne i den eller Eurropean Comm mission er an nsvarlig for ud dnyttelse af information, der d er indeho oldt i rapporte en.
Indholde et i denne ra apport er frem mført i god ttillid og til et bredt publikkum, og med d indholdets natur, den store variation af tekknologier, substrater, beh handlingsmettoder og afsæ ætningsmarkkeder er man nge forhold generalisserede. Forfa atterne er ikkke ansvarlige e, så længe lov tillader de et, for nogen omkostninger eller tab inklusive e specielle, tillfældige, følg geskader elle er tilsvarende e skader, derr direkte ellerr indirekte må åtte opstå i forbindellse med udn nyttelse af ra apporten elle er dens indh hold. Rapportens beskrivvelser af kommercielle produkte er eller teknikkker, kilderne e hertil eller deres d brug i forbindelse med det rapporterede he er skal ikke udlægge es som aktue el eller underfforstået anerrkendelse af tteknologi, pro odukter ellerr serviceydelsser.
Copyright: Denne rrapport må h hverken heltt eller delvisst kopieres u uden forfatte ernes godke endelse. Sam mmendrags rapporten (pakke 5.2 2) er oversat til 8 andre e europæiske ssprog. Den kkomplette rap pport er kun tilgængelig på engellsk. Universitty of Glamorg gan, 2012 Co opyrights for alle fotos i denne rapporrt.
1. Rapporten R ns formål
Denne rrapport forkklarer vigtigh heden og virkningen aff implemente ering af passsende mon nitering på Anaerob b Digestion n (AD - anaerob udrå ådning) / rå ådnetankanlæg og bio o-metan an nlæg. Den indehold der et revie ew af talrige e parameter samt analyse teknikkker og mon niterings mu uligherder, der er re elevante for selve den anaerobe udrådningsp proces, sub bstratet der skal behandles samt for de resultere ende produ ukter, ferm mentat og biogas. Rapporten n indehold der også ation vedrø ørende ren nsning af biogas og g biogas opgradering g proces moniteringsinforma gier. Det ligger udenforr formålet m med rapporte en at genne emgå styringsmetoder, systemer teknolog eller forhold i øvrigtt, der kan ud dnyttes på rrådnetankan nlæg og bio o-metan anlæ æg.
Nærværende revie ew og guide giver gene eral informattion om nøg gleparametrre, der kan moniteres såledess, at et rådne etankanlæg g kan kontro olleres med følgende fo ormål: a) A At tillade en n hvis fleksib bilitet som vvarierende h hydraulisk o opholdstid og g organisk b belastning m substra med at b) At A tillade no ogen variatio on i typer aff substrat tilfført c) At A behandle e affald effektivt (når su ubstrat er kla assificeret ssom affald) d) At A maksime ere omsætning af organ nisk stof til biogas b / bio--metan e) At A bibringe en god kvallitet fermenttat og bioga as / bio-meta an f) At A opnå adg gang til merre specifik og o / eller kræ ævende ferm mentat anve endelse g) At A opnå adg gang til and dre markeder for produ uceret bio-m metan (heru under til kørrekøjer og g net) gas h) At A reducere e udetid for a anlæg i) At A reducere anlægssstørrelse og g driftsomkkostninger, herunder behov for tilsats af k kemiske sto offer og opvarmning j) At A forøge de e miljømæsssige fordele e med bioga asanlæg sam mt reducere e påvirkning ger.
Ultimativvt vil disse fordele me edvirke til forbedring f a økonomie af en for rådn netank- og bio-metan anlæg o og legitimere e teknologie erne ved: a) b) c) d) e)
At være tekknologisk du A uelige i tid A bibringe operationel fleksibilitet At A medvirke At e til, at såda anne anlæg betragtes ssom godt na aboskab A bibringe ffordele i milljømæssig o At og økonomisk forstand A modsvarre forventnin At nger fra rege ering og offe entlighed
3|Page
Dette vil også med dvirke til, at oplæg til nye biogassproduceren nde anlæg og bio-mettan anlæg lettere opnår o forstå åelse fra offentlighed o og planlæg ggere og o opnår videre egående eller fortsat støtte frra regeringssside og fina ansielle partter.
4|Page
2. B Behov forr at monite ere udrådn ningsproce essens efffektivitet, substrater og p produkt ka arakteristiika
Anaerob b udrådning g er en biokkemisk procces, der find der sted i lu ukkede sysstemer, hvorr organisk stof blivver mineraliseret til ho ovedsagelig g metan og g kultveilte ved en ræ ække reaktiioner, der udføres af forskellig ge grupper af bakterierr (figur 1). P Processens fforskellige ttrin kan finde sted i ét lukket system eller tankanlæg (ofte kaldett en reaktor eller rådnetank) eller i separate ta ankanlæg. Produkttet af den a anaerobe p proces er metan, m der kan benytte es til produ uktion af ve edvarende energi, herunder e el og / eller varme elle er kan benyyttes som drivmiddel til køretøjer. Desuden produce eres et ferm mentat, der skulle have e et lavt ind dhold af let omsættelig gt organisk stof samt indehold de værdifullde næringsstoffer. Ud drådning af affald me ed produktiion af biog gas er en miljøven nlig teknolo ogi. De miiljømæssige e fordele inkluderer affaldsbeha a andling, red duktion af forurening, produkktion af ved dvarende energi e og fo orbedrede landbrugsm mæssige forhold ved genbrug g af næringsssalte. Udvidet brug aff og fordele opnået me ed fermentattet og dets indhold af næringsssalte er nu u emne for vvideregåend de undersø øgelser og udvikling. u Der er registtreret over 8.000 rå ådnetanksanlæg i verd den (når derr ses bort frra mikroanlæg). Europ pa har nu de en største installerrede kapaccitet og ud dviklingen ffortsætter i nogle reg gioner med d specielt fokus på affaldsb behandling o og ofte ogsså bioenerg gi produktion. Ifølge IE EA er der vverden overr etableret mere en nd 170 bio-m metan anlæ æg, der på en e række forrskellige substrater pro oducerer bræ ændstof til køretøje er eller gas til gasnet.
Hydrolys se / de-polym merisering
Kompleksst organisk stof, polyymerer (kullhydrater, fedtstoffer) nedbrydess til mindre m molekyler
p proteiner
an nd
nese / ferme entering / forsuring Acidogen
Produktio on af brint, CO O2 and flygtig ge fede syrerr (VFA’er)
Acetogen nese / eddik kesyre produ uktion
Alkoholerr og VFA’er (>C2) konvverteres til eddikesyre, b brint and CO O2; brint og C CO2 kan også å blive konverteret til eddikesyre
Metanogenese / mettan produktion
Eddikesyre, brint og C CO2 konverte eres til metan n
Fig gur 1 – Forssimplet diag gram visend de de enkeltte trin i den anaerobe n nedbrydning gsproces 5|Page
Anaerob b udrådning g er en alsidig proces, der kan medvirke m til nedbrydnin ng af en la ang række substratter, rækken nde fra affalld og spilde evand med kommunal,, industriel o og landbrug gsmæssig side til husdyrgø ødning og energiafgrø øder. Denne alsidigh hed bibring ger imidlerrtid nogle æg kunne hå åndtere og b behandle substrater med m meget udfordringer. Ofte sskal processsen / anlæ forskellige fysiske o og kemiske e karakteristtika, der endog kan va ariere på dø øgn eller ugebasis og som ogsså kan rumm me kompon nenter, der er e hæmmen nde for processen.
Ud overr mulighede en for at udn nytte en bre ed vifte af ssubstrater (b biomasse) er e anaerob udrådning kendete egnet ved at være kom mplekse og dynamiske d systemer, h hvor mekan niske, mikrobiologiske og fysissk-kemiske forhold err tæt sammenkoblede e og i sid dste ende påvirker prrocessens effektivitet. Forskniing, der invvolverer mikkrobiologer, kemikere, ingeniører o og matema atikere har over de seneste 4 årtier resultteret i en op pdatering aff de fundam mentale forh hold, der ken ndetegner den ana aerobe procces samt en n højere gra ad af påskø ønnelse af den d kompleksitet og diversitet af processsen, der i sidste end de leveres af konkurrrencedygtig ge bakterie er og ærke ebakterier. Imidlertiid er der en ndnu ikke o opnået fuld forståelse a af de komp plekse reakttioner og de e aktionsreaktion ns forhold, der kende etegner de overordnede forhold i processe en. Process stabilitet afhænger af kritiske balancer mellem bakkteriegruppe er med sym mbiotisk vækkst for de m metabolske bakterie egrupper, hvilket h vil sige bakkterier og ærkebakte erier, syred dannende bakterier, eddikessyredannend de bakterierr og de meta anproducerrende bakterier, methan nogener.
Selv om m den anae erobe proce es i sin natu ure er stabiil, kan der fås ustabilittet i forbind delse med forskellige former fo or afvigelser, eksempelvis: a) H Hydraulisk e eller organissk overbelastning b) Tilstedevær T relse af tokssiske eller h hæmmende e stoffer, de er matte påvvirke udrådn ningen på g grund af påvvirkning på aktive mikro oorganisme er eller en re eduktion af e enzymaktiviteten c) Mangel M på næringssto offer eller sp porstoffer, d der er nødvvendige for mikroorgan nismernes v vækst og ve edligeholdellse d) Afvigelser A frra optimale temperaturrforhold.
Det er vigtigt v at forrstå, at hverrt af de mikrrobielle trin har deres e egne særlige karakterisstika, hvor hydrolyssen og mettandannelse en typisk err de, der giiver de størrste udfordrringer. Hydrrolysen er vist at være v et ratte-begrænsende trin fo or udrådnin ng af partikkelholdige substrater samt visse fedtstofffer. Den ove erordnede h hydrolyse-ra ate er afhæn ngig af partikelstørrelse e og –form, overflade areal, koncentratio k n af mikroo organismer, enzym pro oduktion og adsorption. Metandan nnelsen er typisk det rate-begrænsende ttrin for let-omsættelige stoffer, hvo or korte hyd drauliske op pholdstider elt medvirke er til et netto o tab af mikrober fra rå ådnetanke id det de meta andannende e bakterier potentie 6|Page
har en la angsom væ ækst. En rådnetank lider ikke nødve endigvis under begræn nsninger af én é gruppe mikrobe er. Faktisk e er det gæld dende for m mange syste emer, at be egrænsning gerne kan h hidrøre fra mere en nd én grupp pe mikrober og derfor væ ære påvirke ede på mere e end ét ned dbrydningsttrin.
Spanjerrs og van Liier (2006) g gennemgik o omkring 400 0 fuld-skala a udrådningsstanke, hovvedsagelig til spilde evandsbeha andling og fandt, at p på 95% aff anlæggene var in-lin ne instrume enteringen begrænset til registtrering af pH H, temperattur, væske-fflow, biogass-flow, nivea au og tryk. M Madsen et al. (2011) har også å rapportere et, at driften af mange a anlæg er ba aseret på exx-situ analysser og kun in-line ssensorer som m pH, redoxx potentiale e og gas pro oduktionsrater. Indtil videre er det også den opfattelsse, forfatterrne til denne e rapport ha ar. Imidlertid d synes indu ustrien at ud dvise mere m motivation til at op pnå en forbe edret forstå åelse for pro oces og mo onitere mere e i dybden,, og selv te eknikker til fjernove ervågning im mplementere es og er ken ndt i denne type sammenhænge.
I mange e tilfælde u undgås pro oces ubalan nce ved at anlæg drivves ved be elastning lan ngt under maksim mum kapacitteten, eksem mpelvis ved d lav substrrat tilførsel. Dette medvvirker imidle ertid til, at ene er størrre end nødvvendigt, hvo orved også kkapital- og d driftsomkosttninger forø øges, så at anlægge sige me ed indbygge et ineffektiviitet. Det er vigtigt i ste edet for at sse processe en som en mikrobielt tildanne et proces, d der behøver organisk stof for at virke og hvor mikrobe erne kun e eller bedst vokser under passsende forho old. Sålede es behøver underbelasstning og lang behandlingstid i rådnetanke ikke nø ødvendigviss at give et forbedret behandlingsrresultat og højere omssætning af organiskk stof til bio ogas, idet d den mikrobieller kulturr også vil være begræ ænset af beg grænsede substrattmængder. Mikrobiolo ogien for udrådningsprocessen e er endnu m mere komp pleks end forholde et mellem substrat og o mikroorg ganismer, idet mikrob ber med højere effekktivitet og omsætn ningsrater fo or substrat kun vil blive e opformere et, hvis systemets bela astning er fo orholdsvis høj elle er hvis råd dnetanken lider unde er visse be egrænsninger. Dette gælder ekssempelvis metanba akterier af Methanossarcina sp. (e.g. De Vrieze et al., 2012). Til trodss for høj omsætn ningsrate viil rådnetankke, der alene er domineret af disse bakterriearter producere et fermenttat med redu uceret kvalitet, og der kan k være behov for et efterpolerin ngstrin (anae erobt eller anden type), idet fe ermentatet kan k indehollde relativt h høje koncen ntrationer aff flygtige fed dtsyrer og phyto-toksiccitet i forbind delse med udnyttelse u p på landbrugssjord. lugtstofffer, der kan forårsage p
Også fo orbehandlin ng giver be etydelige på åvirkninger (eksempelvis forlager forhold e eller mere komplekkse forbeha andlinger) d der udføres for at forøge hydrolysse-rater for substrater,, og disse kan havve direkte in ndvirkning p på eksempe elvis pH, am mmonium og g niveauet af a flygtige fe ede syrer, når substratet tilførres rådnetan nk. Der ud over er derr en række a andre fakto orer, der påvvirker valg dnetanke, og g valg af pro ocestype err i særlig gra ad en vigtig faktor. For eksempel af driftsfform for råd er high-rate rådne etanke såso om Upflow w Anaerobicc Sludge B Blanket (UA ASB) anlæg g normalt et til substra ater med et lavt niveau af partikler og fedt, og kan norma alt fungere vved højere designe opholdstide organiskke belastninger og reducerede hydrauliske h er end de mere konvventionelle 7|Page
Continuously Stirre ed Tank Rea actors (CST TRs), rådnetanke, hvorr indholdet h hele tiden opblandes. o Dette skkyldes deress evne til att tilbagehold de mikroorganismer i rå ådnetanken som slam / granuler, der i h helt betydelligt omfang g reducererr udvasknin ngen af m mikroberne. Desuden giver g den granulæ ære strukturr en hvis beskyttelse af de følso omme meta anbakterier, idet de he er normalt forefinde es i granule ernes midte..
En betra agtelig mæn ngde litterattur omhandller kendte h hæmmende forhold for rådnetanksssystemer, herunde er metoder til t at optime ere systemernes effektivvitet (for ekssempel Che en et al., 2008; Fricke et al., 2 2006). Desu uden er dett således, a at udover su ubstratvaria ationer og e en meget ko ompliceret biokemiisk proces, kan en ræ ække reaktio oner bibring ge såvel an ntagonistiskke som syn nergistiske effekter. På denne e måde kan n disse man nge faktorerr gøre syste emernes yd deevne vanskelige at forudsig ge. Sådann ne komplekkse effekter kan eksempelvis o opstå unde er tilstedevæ ærelse af forskellige metallerr eller amm moniak, der tilsammen gør det va anskeligt att vurdere de e aktuelle størrelse er for hvilke e elementerr, der er til stede s i for høje h koncentrationer og g hvilke, derr er behov for. And dre vigtige faktorer ka an være biotilgængeliighed af visse kompo onenter, ekssempelvis essentie elle spor mineraler, derr ved analysse kan ses at a være til sstede. Imidle ertid er det vvanskeligt at define ere biotilgæ ængelighede en for mikrob berne af såd danne sporstoffer, når deres tilgæ ængelighed kan væ ære påvirket af stoffer i substratet tilført (for eksempel kontrol k af alkalinitet elller svovl / svovlbrinte ved tiilførsel af kemikalier)) der kan ændre så ådanne essentielle elementers tilgænge elighed, ekssempelvis ved v udfældn ning.
Alle såd danne komp plekse forho old og afvigelser taget i betragtnin ng er der im midlertid alternativer til at søge e at reducerre deres ind dvirkning ve ed overdime ensionering g af det ana aerobe proccesanlæg. Disse alternativerr inkludere er blandt andet aktiv og løbende mon nitering af substrat, udrådningsproces og produkter. Forståelse af den anaerobe p proces, effe ektivitet, kap pacitet og trends er e nøgleforh hold, der er nødvendige e for at operratører kan foretage pa assende kon ntrol tiltag. Sådanne tiltag kan n relatere tiil varierende substrate er, tilførsel a af pH buffe er, næringsssalte eller sporstofffer, ændriing af org ganisk elle er hydrauliisk belastn ning, introd duktion af substrat forbehandling ellerr fermentat efter-behan ndling eller midlertidig sidestillet proces p til red duktion af et. ammoniak indhold blandt ande
Det er vvigtigt, at de et videnskabelige arbejjde fortsætttes, såledess at der opb bygges vide eregående forståelsse af den anaerobe a p proces samt at teknikkker til monitering og sstyring af rå ådnetanke optimere es og omko ostningerne hertil reducceres. Det e er ligeledess vigtigt, at vvidere forstå åelse ikke kun opn nås under llaboratoriefo orhold, men n også und der forhold som i indusstrien og fu uld skala i øvrigt, hvor varia ationer i driftsforhold dene gene erelt er sttørre og h hvor monittering og styringssmetoder er underlagt m mere stresss og derfor gør g det muliigt i højere u udstrækning g at forstå aktuelle e reaktions komplekser. k . 8|Page
Monitering og styrringsfunktion ner har også deres b begrænsning ger. Det err vigtigt at forstå, at anlæg ikke i alle sa ammenhæn nge kan drivves på forskkellige subsstrater eller drives unde er forhold, der afvviger fra de e specifice erede med mindre de er foretage es betydelig ge designæ ændringer. Sådanne ændringe er tager tid, kan medvirkke til påvirkning af de n normale pro ocesforhold ud over at matte krræve betyde elige investeringer.
Ud ove er at udføre e monitering g og styrin ng, der med dvirker til forbedret fo rå ådnetanksfu unktion og effektivitet, kan det også værre fordelagttigt at monitere fermen ntat kvalitet for at imødekomme pelvis udledn ningskrav eller andre slutbruger krrav eller beh hov. eksemp
På same måde må å biogas og bio-metan kvaliteten m moniteres ko ontinuerligt eller i det m mindste tit. Det er klart, k at bio--metan kvaliteten til enhver tid ska al garantere es, og såled des er det nødvendigt at lagre e relevante data for kvvalitet og kvvantitet, afh hængigt af h hvor og hvo ortil forbrug get af biometan ffinder sted. Det må forventes, at de mest re estriktive krrav ligger i forbindelse med biometan ttil naturgasn net. Ligeledes er der b behov for monitering ve ed højtrykslagring af biio-metan i forbinde else med ud dnyttelse til køretøjer. Ud U over de lovgivne kra av, skal derr moniteres og lagres data forr biogas opg gradering, ssåledes at de d senere ka an kontrolle eres og forto olkes. Krave ene her vil afhænge af den givvne opgrad deringsmeto ode. Moniterring er ikke kun et ønsske i forbind delse med idriftsætttelse af an nlæg, men også o i forbiindelse med d den fortlø øbende driftt. Moniterin ngsdata er nyttige og vil vise afvigelser i ydeevne for anlægg get såvel i øjeblikket som s over a anlæggets levetid. Sådanne data kan også medvvirke til forståelse aff anlægs ydeevne, y optimering, afhjælpn ninger og kkortlægning af begrænssninger, herunder afhjæ ælpning af flaskehalse e. Sluttelig vil et passende sæt driftssdata kunne forudsige behov for vedlige ehold og fastlægge hensigtssmæssige servicerings s s programm mer (for ekssempel servvicering af maskinkom mponenter, hjælpem materialer, tilførsel aff forbrugssstoffer og kemikalier), og såled des medvirrke til at maksim mere den forttsatte effekttive drift.
9|Page
3. Guide G til m monitering g af param metre og metoder m enkelt trin i den anaero obe proces, i rådnetan nksanlæg og g bio-metan n opgraderingsanlæg I hvert e er der e en række pa arameter, der kan mon niteres (figurr 2). Forfatterne til dettte review ha ar erfaring fra litterratur og prraktisk driftt inklusive forskning i rådnetankksystemer o og bio-meta an anlæg dækken nde hele Europa.
substrat genereelle anlæggs parameetre
bioggas rensniing og opgrad dering
an naerob udrrådning
fermentat
Fig gur 2 – Interraktion mellem de forskkellige trin i rådnetankssanlæg og b bio-metan an nlæg
Der børr skelnes me ellem param metrene i forrhold til proccesmatrix og de enkelte e trin i rådnetanke og bio-meta an anlæg, hvor de ka an monitere es (figur 3). Hovedrapp porten i forrbindelse med denne opgave 5.2 inklu uderer en mere fyld destgørende forklarin ng til de enkelte p parametre. Kombinationen af et antal af de givne parameter p vvil bibringe en god forrståelse for driften af anlæg og vil give et antal fordele in nklusive mulig optime ering af biogas og bio-metan produktionen. Ingen anlæg be ehøver monitere alle pa arametre. Im midlertid kan n der være behov for monitering af yderliigere param meter, hvilke et naturligviss vil afhæng ge af særlige e forhold.
Når derr ses specie elt på rådnettanksanlæg g, substraterr og fermen ntat er der ikkke opsat ett standard moniteringsprogram m ved forskkningsgrupp pen eller op peratørerne i denne sa ammenhæn ng. Det vil sige, at der ikke err anerkendt et bedste valg v af para ametre til mo onitering, og g kun for få å anlæg er givne parametres optimale niiveau og ko oncentration ner blevet defineret. d L Ligeledes err der ikke definere et optimum eller minim mum frekven ns for analyyser og besttemmelser. Alt andet lige vil det være fo ordelagtigt a at foretage analyser og g bestemme elser ofte, m men dette b bør også se es overfor forøgede omkostninger til og belastning b p på ansatte, eksterne analyse labo oratorier, invvestering i er til in-line eller ex-siitu analyserr, sikkerhed d for kalibrrering samtt vedligeholld. Når et sensore moniterings progra am er implem menteret, skal driftspersonalet også kunne fo ortolke resu ultater og / 1 10 | P a g e
eller bio okemiske analyseresulltater, korre elere dem til den aktue elle drift sa amt identificcere mulig interfere ens for at kkunne konklludere vedrrørende anlæggets pro ocesmæssig ge status, således s at videregå ående kontrol og / elle er afhjælpen nde handling ger kan ivæ ærksættes. E Endelig skal sådanne udfordringer kunne e løses hurtigt for at und dgå eventue elle procesm mæssige ne edbrud.
mmer for b bio-metan p produktion er e delvist b blevet installeret og ha ar vist sig Moniteringsprogram onelle. Imidlertid varierrer kravene e betydeligt de enkelte e lande ime ellem. Typissk er biooperatio metan kvalitetskra av veldefinerede, herrunder kravv til uønskkede stoffe er såsom kultveilte, svovlbrinte, total svvovl, ammo oniak, ilt og fugtighed. Metan nævvnes typisk ikke direktte, og gas kvalitet specificere es gerne so om brændvværdi, wobb be indeks, densitet elller relative e densitet. Moniteringsfrekven ns og krav til data opssamling kan n variere, o og paramete er behøver ikke altid monitere es løbende (intervallerr på 15 minu utter er ofte e tilstrækkeliigt). Under alle omstændigheder er det normalt, n at monitering g skal finde e sted i henhold til gæ ældende lovvgivning og g krav fra driftsherrren for natu urgasnettet..
Rådneta ankes proccesstatus og g funktion kan monite eres ved att bestemme e substratomsætning (Chemiccal Oxygen n Demand (COD), tørrstof (TS), eller organ nisk tørstoff (VS) nedbrydning), akkumu ulering af m mellemprodukter (flygttige fede syrer s (VFA)), pH, alka alinitet, H2, CO), og produktion af slutp produkter (g gas produkktionshastigh hed, CH4, C CO2). I korrthed har d de enkelte VFA’er været vurde eret at være e værdifulde e som moniteringspara ametre for rrådnetanksa anlæg. pH har vist sig at give et forsinkett respons og g ekstrem vvariation i pa artialtrykkett for H2 give er i mange sammen nhænge fortolkningsprroblemer. A Andre param metre, der er relateret til bakteriiemassen, (tæthed og diversitet af baktteriepopulattionen) og mikrobiel a aktivitet kan n moniteress. På det seneste e har sådan nne mikrobie elle analyse er opnået skærpet inte eresse. Figu ur 4 illustrerrer mulige moniteringsaspekte er, der kan b benyttes til at vurdere ffunktionen a af rådnetankke og mang ge af disse parameter er yderligere beskre evet i den ko omplette rapport til den nne opgave 5.2.
1 11 | P a g e
Substrat
Udrådnin ng
Fermentaat
Opgraderring
Orrganisk og hydrau ulisk belastning TS VS COD C:H H:N:P:K:S fforhold Sporstoffer Organ nisk kvælstof og aammoniak Kullhydrater, pro oteiner og fed dtstoffer Metalller (inklusive lettee og tunge) Tem mperatur pH og Alkalinity Patthogener B Biocider Biogass eller metan po otentiale Partikkel størrelse
Opholdstid TTS og VS
TS
C:N forhold
VS
Organisk kvælstof og mmoniak am Metal ioner (natrium, kalciium, kalium, maagnesium) pH Bikkarbonate alkalinitet / Buffer k kapacitet Teemperatur Redo ox Potentiale (ORP) VFA’eer (totale og forsskellige) og længgere kædede feedtsyrer) M Makro ogh mikron næringsstoffer Biogas flowrate og samm mensætning (CH4, CO2, O2, NH3, H2S and H2)
COD D og biologisk iltfo orbrug (BOD) pH N, P,, K, Na, Ca, Mg o og S indhold P Pathogener Rest biogas/metan p potentiale VFA’er Fysiisk forurening (glaas / plast, osv) Pote entielt toksiske ele ementer eller inh hibitorer for plaanter, dyr og m mikrobielle rece eptorer (f. eks. tu ungmetaller)
Bio ogas og bio‐ mettan flowrate Gas sam mmensætning som m CH4, CO2, O2, H2S, H2O og NH3 And det indhold – partikkler, siloxaner, flyggtigt organisk stof, merkaptaner, ilt an nd halogener Bræ ændværdi og Wo obbe Indeks Miccrobielt stof
Op pløst brint Bacteerie enzymer Aktiviteet & mikrobiel po opulation
Figure 3 – Mon niteringsparrametre for hvert h trin i p procesmatrixx, der er rele evante for drift d af rådnetanksan nlæg
1 12 | P a g e
Biogas Gas-sammensæ ætning
Mellemprodukkter
Endelig ssammensætning
CH4 NH3
H2S
Gas-produktion
CO2
H2
CO
FASTST TOF Biokemiske parametre i den faste fase
VÆSKE Kemiske para ametre i væskefasen
Total tørsttof Flygtigt fa aststof
Kulhydrater, proteinerr og fedtstoffe er
Uomsætteligt
Metaller
Ej ana aerobt nedbrrydeligt
VFA’er
Optællingstekn nikker Celle
Base alkalinitet
Ledningssevne pH
Redox
Metalle er A Ammonium
DNA
M Metanbakterie In naktive Coenzymer
Aktive e Mikrocalome etri
Immu unologe
ATP
Memb bran Lipider
NAD ---NAD DH
Aktivitetstests
Enzymbeste emmelser A
+
Figure 4 – Tessts der karakkteriserer de e 3 faser i rå ådnetanksa anlæg
Figur 5 introducere er terminolo ogien, der ttypisk benyyttes til at d definer, hvorledes mon nitering og data op psamling ka an finde ste ed, i denne e sammenh hæng eksemplificeret som en m moniterings matrix fo or en rådne etank.
1 13 | P a g e
Gaasfase Ex‐situ u analyser Råd dnetank
In‐ssitu monitering nitering In‐line eller in‐loop‐mon
Væsskefase
Data modtagees on‐ line (i real‐tim me eller forsinket)
input off‐line Datta modtaget/i Eksternee lab‐analyserr On‐site analyser Prøveer stier
Data stier
Figure 5 – Konccept og term minologi til definering aff monitering og data opsamlings m metoder
Succes med proces monitering afhængerr også af pa assende pla acering af se ensorer og passende dataopssamling. De ette vil være e tilfældet fo or ethvert trin i rådnetan nksanlæg, d der udpræget udviser uensarte et funktion samt for prøver, p hvo or mellemla agring kan påvirke prø øvens kara akteristika, hvilket g generelt er ttilfældet forr rådnetanke e. Med in-siitu moniterin ng og til trods for at se ensorer og sonder her er min ndst følsom mme overforr variation vved prøveu udtagning / ikke repræ æsentative anksindhold det er effekttivt opbland det), lider re esultaterne o ofte under problemer p prøver ((når rådneta med fou uling, i særlig grad for sensorer og g sonder i kkontakt med d væske / fa aststof blandinger. Et andet vigtigt aspekkt er placerin ng af senso or eller place ering, hvorffra prøve ud dtages. Fouling finder normalt sted på se ensorer, de er er placerret in-situ e eller in-line i kontakt m med væske / faststof blanding ger, hvorfor rensningss- og vedligeholdelsess procedure er er nødvvendige me ed mindre enheden er selvrrensende. Sensorer og sonderr kan værre placered de på sted der, hvor rådnetanksindholde et er utilstræ ækkeligt opb blandet, elle er hvor der kan ske afllejringer af aske eller ved væsskefasen, h hvor skum e eller udkrysttallisering ka an interferere med aflæ æsninger, se elvfølgelig med miindre senso orens eller sondens fu unktion neto op er at an ngive sådan nne forhold. Af disse grunde behøver pla acering af p prøveudtag, sonder og sensorer att være nøje vurderet på å forhånd, herunde er indgå so om et elem ment allere ede i desig gnfasen. Ne etop alle sådanne s fo orhold gør prøveud dtag fra flerre steder p på rådnetan nke, multi-p parameter o og hyppig monitering m t en god til strategi at følge, d der i sidste ende kan kkompensere e for variation i prøver udtaget, ssensor og sonde fo ouling og an ndre kilder ttil interferen ns. 1 14 | P a g e
Ideelt moniteres m in n-situ eller in-line, auto omatisk og udført konttinuerligt og g som giverr real-time data. De ette skulle resultere i minimal inte erferens og g give tidlige e indikationer af ubala ance og af betydnin ngsfulde ændringer aff den mikro obielle statu us og ydeevne for sysstemet. Dettte tillader også um middelbar a afhjælpning endog på afstand. a En ndnu desvæ ærre, er det således, at ikke alle vigtige p parametre a automatisk kan moniteres kontinue erligt in-situ u eller in-line e på real-tim me niveau med da ata til råd dighed on-lline. Tekniske vanskkeligheder samt omko ostninger g gør dette uhensig gtsmæssigt; i nogle tilfæ ælde vil ansskaffelse og g drift af sen nsorer, sond der eller analysatorer være re elativt dyrt o og i nogle ssammenhænge er der behov for fforbehandlin ng af en prøve for at undgå e eksempelviss fouling, i særlig grad ffor væsker med m partike elindhold.
Ved vallg af metod de til bestemmelse af en parame eter er det vigtigt at være opmæ ærksom på behovett for nøjag gtighed ved d bestemme elsen samtt instrumen ntets kvalite et. Instrume enter, der benyttess i sådann ne sammen nhænge behøver ofte regelmæsssigt vedlige ehold og kalibrering. k Måleme etode og mu ulige interfe erenser er vigtige v forho old at vurde ere på forhå ånd, og insttrumenter, sensore er eller sond der bør kun anvendes i miljøer, de er designett til.
Prøveud dtagnings metode m påviirker mest e ex-situ analyyser såvel som s in-line monitering (mest ved intermittterende mo onitering) da a repræsen ntativitet og prøvens allder og / eller konservvering kan være svvær at kon ntrollere / g garantere. D Desuden viil intermitte erende tilførrsel af substrat over døgnet eller over ugen afsttedkomme variation i monitering g af rådnettank indhold, biogas mmensætnin ng over pe erioden. Hvis en rådnetank ekse empelvis ikkke tilføres produktion og sam substratt over en weekend, eller tilførsslen er red duceret vil rådnetanke ens indhold d, biogas produktion og sam mmensætnin ng variere d dagene ime ellem på gru und af forskel i belasttning med substratt.
Intermittterende elle er ineffektiv opblanding g af rådnetan nksindhold kan også bibringe uens forhold i rådnetank. Dette kan således indvirke på å homogeniteten af prø øver. Udtagne prøver kkan afgive gasser som CO2, hvilket på åvirker pH og alkaliniitet. Plast beholdere kan absorb bere små mængder af VFA’e er og andre komponente k er.
1 15 | P a g e
For a at opsumm mere skal baggrun nden for ikke standard dmæssig m monitering, med hen nsyn til va alg af parameter og analysefrekvenss overvejen nde ses i lyyset af komplekksiteten af den anaerobe proce es og den store variation n i substrater be enyttet, fo orskellige typer rådnetanke, driftsfo orhold og mål m med an nlæg. Forskkellige moniteringsforhold er nød dvendige ved forskkellige driftsforhold for ett anlæg. M Moniteringsg grundlaget for et rådnetanksanlæg kan opdele es i 3 fase er: 1) opsta art, 2) normal drift, hvilke et inkludererr ‘quasi elle er næsten steady s state’ ligesom midlertidige e driftsforrhold sam mt 3) nedlukn ning. Hver fasse i denne sammenhæ æng stiller sspecifikke kkrav til monitering. Monite eringsfrekve ensen kan være redu uceret under normal n drifft ved ‘næ æsten stead dy state fo orhold’ eksemp pelvis for et antal bioga as anlæg de er drives en nsartet på enerrgiafgrøder. Dog er m moniteringsbehovet størrre og med ett bredere krav til a antallet af parametre e, der monitere es i forbind delse med opstart (i særlig gra ad når podema ateriale er frra rådnetankke, der drive es på anden vis), og i fforbindelse med mid dlertidige eller varie erende driftsforhold såsom m for rådnetanke, der tilføres bioa affald, hvor va ariation i affaldets a sa ammensætn ning over tid er reglen.
opstart
norm mal drift
nedlukningg
Det er ligeledes viigtigt at forsstå, at det kræver tid for rådneta anke at tilpa asse sig æ ændringer i pasning af rrådnetanke kan tage op til 2 til 3 medfør af substrat eller ændringer i driftssforhold. Tilp hydrauliiske opholdstider (HRT T’er), hvilkett for nogle typer t rådne etanke svare er til måned der. Under sådanne e forhold bø ør moniterin ng ske ret ttit (eksempe elvis bør en n række parameter mo oniteres et par gan nge ugentligt). Her vil paramete er trends blive vigtige ere end beg grænsninge er, der er afstedko ommet af ændringern ne. Der kan opstå fo orsinkelser i udvikling / produktiion af de atet af su kompon nenter, derr er resulta ub-optimal rådnetankssfunktion, id det baggru unden for kompon nentens dan nnelse og stigning i koncentration kan væ ære komple eks. Dette kkan være tilfældett for eksem mpel ved opbygning af hæmmende e koncentra ationer af le et metal ion ner såsom natrium, kalcium, kkalium, ellerr ammonium m, der førstt efter noge en tid måtte e nå koncen ntrationer, der er in nhiberende.. Her er tren nds i forøge elsen af konccentrationen nødvendig ge for at go odtgøre, at der kan n opstå problemer på et tidspunkkt. Desuden n er det ikkke nødvendigvis sålede es, at der kommerr et nedbru ud med tide en. Faktisk vil nogle kkomponente er indlednin ngsvist kunn ne initiere hæmme ende forhold og hæmning, men efterfølgende reducerret kompone enttilførsel og / eller reducerret belastnin ng i øvrigt kkan der opn nås mikrobiiel tilvænnin ng, således at rådneta anksanlæg kan drivves med belastning me ed visse kon ncentratione er af sådanne komponenter underr de givne driftsforhold.
1 16 | P a g e
Det er vanskeligt at generalisere hvilke e parametre e og passe ende monite eringsfrekve enser, der sikrer sstabil rådnettanksdrift netop n på ba aggrund af de meget forskelligarttede faktore er, der er angivet ovenfor. O Operatører b bør vurdere et antal drriftsdata jævvnligt. Figurr 5 er resultatet af et antal sp pørgsmål, operatører jævnligt bør besvare e. Jo oftere e svaret viil være ‘ja’’ jo mere omfattende bør et m moniteringsprogram væ ære for at sikkre stabil drrift af et rådn netanksanlæ æg.
Udrådning veed termofil temperaturr
Substrat(er) indeholder inhibitor(er) eller biocide(er)
let opløselig((e) substrat(er)
Substrat med utilstrækkkeligt indhold d af essentieelle elemen nts
Rådnetank ttemperatur varierer
SSubstrat med lille antal anaerobe mikrober
Rådnetank kan trække luft
Spørrgsmål ?
Sub bstrater med meget varrierende og hurrtigt ændret indhold
Rådneetank belasttning varierer meget og hurtigt
Rådnetankk med høj organ nisk eller hydraaulisk belastniing
Rådn netank med utilstrækkelig op pblanding
Rådnettank uden n tilbageho oldelse af mikkro organissmer
R Rådnetankens p population er beegrænset eller følsom
F Figur 5 – No ogle spørgssmål operatø ører jævnlig gt bør besva are
1 17 | P a g e
Her ud over er d der i denne e sammenhæng ydett en indsatts for at sspecificere tre brede klassificceringer for rådnetankss drift, der hver for siig angiver risikoniveau uer og for h hvilke der foreslåss monitering gs indikatore er. I alle tilfæ ælde bør tem mperaturen moniteres og holdes in ndenfor et givet op ptimalt nivea au (enten mesofilt m ellerr thermofilt)) og luft indtrængning bør b undgåss. Podning af en rå ådnetank bør b finde stted med ma asse fra ve elfungerende rådnetan nk(e) ideelt underlagt tilsvaren nde driftsforrhold for att sikre velfu ungerende d drift og en god mikrob biel diversite et. I nogle tilfælde kan mere e end en type e podemassse blandes for at sikre e den mikrobielle diverssitet. Inert u førr tilførsel til rådnetank e eller kunne fjernes på materiale bør i størrst mulig udstrækning udskilles passend de vis. I mo odsat fald vvil rådnetankken med tid den akkumu ulere sand o og udfældn ninger, der reducerrer det aktive e volumen o og dermed æ ændrer oph holdstid og o opblanding.
klasse A – Optim merede rå ådnetanke e, der driv ves under steady sttate forho old – Lav Risiko Moniteringskravet kan k være la avt hvad an ngår antallet af parame eter og med d reduceret frekvens, netanksanlæ æg: når rådn
er i optimal drift og ikkke påvirkett ved makssimal eller højere e h orga anisk eller hydraulisk h b belastning ffor netop de en pågælden nde type råd dnetank og substrat, d drives unde er tilnærmelsesvise steady state fo orhold igenn nem lange perioder, altså drives m tilnærm med melsesvist u uændrede substrater og g belastning ger, og n driften er når e uden inhiberende forrhold (eksem mpelvis nærringssalte og o metaller e er til stede i tilstrækkelige koncentrationer me en ikke i ovverskud, de er ikke tilføres biocider og buffer er tilstrækkkelig). k kapaciteten
Under sådanne forhold ka an biogasproduktion og bioga assammenssætning be estemmes kontinue erligt eller re egelmæssig gt og støttes af pH (de en fulde rapport beskrivver begrænsningerne for denn ne paramete er), bikarbo onat alkalinittet og i det mindste den n totale kon ncentration a af VFA’er. Dette vil være tilstrrækkeligt til vurdering a af rådnetankk funktionen n. Der ud ovver kan også substrat karakterriseres på u ugebasis ve ed tørstof og g glødetab (TS og VS)) for at konttrollere bela astning på rådnetanken. Andrre paramete er kan beste emmes med d længere intervaller imellem, ekssempelvis fermenttat indholdssstoffer / kva alitet. Der ka an kræves yyderligere analyser, a hvvis funktione en ændrer sig indikeret ved VFA og alkalinitet niveauer, n æ ændring i biogasprod duktionen e eller dens sammen nsætning e eller ændrin nger i sub bstrat eller fermentat sammensæ ætningen. Sådan et moniteringsprogram m forventes at kunne fo orhindre alvo orlige driftsp problemer.
Klasse e B – Rådnetanksan nlæg der drives d me ed varieren nde driftsforhold – Medium Risiko Følgend de moniterin ngskrav find des at være e passende når rådnettanke ikke b belastes ud over den organiskke eller hyd drauliske ma aksimale be elastning for netop den nne type råd dnetanke og g substrat 1 18 | P a g e
tilført, m men drives med m perioder med mid dlertidigt belastende forhold såsom m variation i typen af substratt samt orga anisk og hyydraulisk belastning. F For at optim mere driften ved bela astning og potentie elle inhibitorrer, bør sub bstratet analyseres som m minimum en gang ug gentligt for tørstof og glødetab (TS og VS S) og oftere e ved andre betydelige ændringer a af substrate et. Ved hverr betydelig ændring g af substratet bør følge ende analysser foretage es:
C:N:P:S forhold C m metaller inkklusive kalciu um, natrium m og kalium afhængigt a af substrat ttype.
Monitering af bio ogas flowrrate og gas samme ensætning bør finde sted løb bende og rådnetanksindholde alkalinitet, et monitere et cirka 3 gange pe er uge forr parametre e såsom a individuelle VFA’err (her eddike esyre, propionsyre, sm mørsyre, iso--smørsyre, valerianesyyre og isovalerian nesyre), pH.. Visse andre parametrre i rådneta anken sådan n som spormineraler, a ammoniak og nogle alkali (jo ord) metalle er bør besttemmes afhængigt aff substratet, og med passende frekvenss. Hvis effe ektiviteten viser v sig at være sub-o optimal, kan n der være behov for yderligere analyse er og hyppig gere kontrol, således at a nødvendig ge tiltag kan n finde sted d på en mere effektiv basis.
Klasse e C – rådnetanksanlæg der drrives ved maksimal belastnin ng (inklusive “high rate” rådnetank ke med la av hydrau ulisk oph holdstid) med m bety ydeligt va arierende orhold – H Høj Risiko driftsfo
Andre rrådnetanksa anlæg krævver mere sttringent mo onitering, ekksempelvis rådnetanke e, hvor en kombina ation af følg gende driftsfforhold finde er sted:
drives tæt vved den ma d aksimale org ganiske belastning elle er ved den minimale hyydrauliske o opholdstid i forhold til d design speccifikationer, f forhold bettinger, at under vissse forhold kan der være mangel på e essentielle n næringsstof ffer eller spo orstoffer, d er pote der entiale for dannelse af inhiberende kompone enter i subsstrat eller i rådnetank v eksemp ved pelvis høje n niveauer af alkali (jord)) metaller, la angkædede fedtsyrer, a ammoniak e eller visse b biocider eksempelvis fra a rengøringsmidler, n betydeliige ændring når ger i substra at sammenssætningen fiinder sted m meget hurtig gt.
I sådann ne sammen nhænge vil m monitering a af en kombiination af pa arametre, de er relaterer til biogas, substratt(er) og fermentat væ ære helt fu undamental og det vil være ford delagtigt, h hvis disse bestemm mes løbend de, kontinue erligt eller ssemi-kontinu uerligt med høj frekven ns, in-situ eller in-line med da ata til behan ndling næstten på real--time basis. Hvis ex-situ analyser eller hvis manuelle biokemiiske analysser er nødvvendige, bør de udfø øres med hurtig rapp portering, således at 1 19 | P a g e
kontrolle erende tiltag g kan foreta ages hurtigtt. Ud over o on-line moniitering af biogas flowra ate, metan og H2S indhold (affhængigt af substrat typ pe), bør der som minim mum foretages daglige e analyser for parrametre så åsom orga anisk nedb brydningsefffektivitet, alkalinitet, a individuelle e VFA’er, ammoniak og nog gle alkali (jo ord) metalle er (afhængiigt af substtrat). Hyppiige bestem mmelser af spormin neraler behø øves også. Desuden kkan analyse er af bakterriel enzym aktivitet og mikrobiel profil væ ære fordelag gtig, især hvvis det ikke med andre metoder er muligt at kllarlægge ba aggrunden for en re eduktion aff rådnetanke ens effektivitet. Flere tyyper ”high rrate” rådnettanke, der d drives ved lav hydrraulisk opho oldstid (altså å under 4 da age) med substrat med d lavt indhold af partikle er og med immobiliserede mikkroorganism mer vil norm malt også væ ære underla agt sådanne e monitering gskrav, da der end dog indenfo or samme u uge kan ske e betydelig indvirkning g på biokem mi i rådneta anken. En mere affslappet holdning til m monitering i relation til hurtigt h ænd drede driftsfforhold vil vvise sig at begrænse sikker id dentifikation af baggrunden for sub b-optimal drift eller nedb brud. Under alle omstæn ndigheder er det vigtigt att være opmæ ærksom på, aat jo flere parametre, derr der over processen, og jo o større flekssibilitet kan d der opnås. Deer er moniteeres, jo bedree kontrol er d aldrig ffor meget infformation, og jo hurtigerre informatio on bliver tilgæ ængelig, jo hu urtigere kan kontro olforanstaltniinger iværksæ ættes. Tid er aaf særlig betyydning, når eessentielle prrocesser udfø øres af mikro oorganismer. Det er ogsåå vigtigt, at dataa bliver analyyseret og forsstået, og opeeratørens ken ndskab til ogg forståelse af proces skall derfor ikke ignoreres. God d moniteringspraksis giveer operatøren n et billede aaf, hvad der ffinder sted i d den obe proces og er baggrun nd for fundnee produkt karrakteristika. Regulære mo oniteringsinttervaller anaero gør dett muligt at beeskriver tren nds, og giver operatøren ggod basis forr at opdage kkritiske forho old på forhån nd. Dette giveer mulighed ffor at udføree kontrolanalyser og forettage forebygggende tiltag,, hvilket er nøglen til effektiiv, løbende d drift. Hvis råd dnetanke ikkee moniteres i det mindstee for parametre, er det vanskeligt at opnå d de vigtige forrdele og effekter, sådanne systemer ggiver. nøglep Det svaarer til at ”kø øre bil uden fforrude og raat”. Det bliveer vanskeligt at redegøre for drift og aat optimeere anlægsfu unktion og yd delse. Det er også vanskeligt at forstå,, hvad der err hovedårsagg/ hovedåårsager, hvis et procespro oblem opstår, og dette vil igen reducere mulighed den for at ud dføre hurtigee (og i nogle sammenhæn nge økonomisk attraktivee) afhjælpnin ngsforanstaltninger.
I samm æg ikke moniteres og kontrollleres effekktivt, må rådnetank menhænge, hvor anlæ m processer effektiviteten forventes at væ ære sub-optiimal og, i vværste fald, kan de biokemiske b n Behov for gen-pod dning og / eller gensta art af rådne etanke vil fo orsinke effe ektiv drift i bryde ned. månede er. Eksemp pelvis vil en n utilstrækkkelig omsætning af orrganisk stoff til biogas ikke kun reducerre produktio onen af energi. Der vil o også fremkkomme en fo orøget pote entiel emission af gas til omgivvelserne fra a efterfølgen nde lagring,, hvilket børr undgås. D Det er derforr af højeste e vigtighed at have god forståe else for procces-status p på driftsniveau.
2 20 | P a g e
Ud overr multi-parameter og lø øbende mon nitering er la agring af da ata og erfarringer i lang g tid af høj værdi. Sådan S inform mation bør katalogisere es i en form m, der let kan n hentes og g forstås af forskellige f operatø ører. Normalt registrere es ændringe er i substratt, type og belastning så åvel som drriftsformer ikke nød dvendigvis, hvorfor forrtolkning af procesænd dringer og ydelsesdata y a kan blive vvanskelig. Det kan n være prakktisk løbend de at dybfryyse prøver af a substrat med videre e på anlæg, hvor der ikke er lløbende mo onitering og erfaringsop psamling fo or at kunne fforstå, hvorrfor givne ændringer æ i anlægge ets funktion n finder sted d.
En ræ ække forskkere har gennemgået moniteringsparametre og sammenhæ ænge for rådnetanksanlæg ((e.g. Madse en et al., 20 011; Boe ett al., 2010, Monson ett al., 2007).. Området udbygge es stadig bå åde hvad angår forståe else, process biokemi og paramete er respons ssamt hvad angår n nye monite erings teknikker, forbe edre robustheden og reducere p prisen for forskellige f moniterings teknikkker. Det er derfor værdifuldt at følge den akade emiske litte eratur og firmaudg givelser sam mt søge nyye moniterin ngs teknikke er / sensore er / analysa atorer, der vvil komme på markkedet i frem mtiden, der e er mindre fø ølsomme forr interferenss, fouling, fu ungere auto omatisk og angive d data på reall-time nivea au.
2 21 | P a g e
4. Generelle G Anlægspa arameters s (design, drift og yd deevne)
Rådneta anksanlæg er normalt beskrevet ved en ræ ække parame eter, der err oplistede nedenfor. Disse iinkluderer design pa arametre, tyypisk drift og ydeevvne samt årlig produ uktion og energifo orbrug. Dissse informattioner opsu ummerer an nlæggets p profil, tillade er sammen nligning af forskellige anlæg o og processser samt medvirker til at kortlægge energifo orhold på o overordnet niveau. Disse værd dier fastlæg gges gerne i designfassen baserett på forventtet ydeevne e men kan også ge envurderes,, hvis subsstrat, ydeevne, procesffunktion og respons æ ændrer sig. Sådanne revision ner bør lagre es med operatørens do okumentatio on. Informatiionen bibrin nger typisk et e generelt overblikk over ydeevvne af rådne etanke og bio-metan b an nlæg. Inform mationen bø ør inkludere: Identifiikation af substrat(er) til anlæg Rådnettanks design (våd eller tø ør, mesofil elller termofil, batch eller kontinuerlig, plug flow elleer fuldt opbland det, et eller fflere procesttrin/multi‐staage rådnetan nke, slamtilbaageholdelse eeller suspend deret slam). Nedbryd dningseffektiivitet ved ud drådningspro ocessen (% V VS nedbrudt) Nedbryydningseffekktivitet ved u udrådningsprrocessen (% V VS nedbrudt)
Fermen ntat (tions peer år)
Fermenttat (tions perr år) Fastlægggelse af afsæ ætningsmarkked for prod dukter (som fforeliggende, separation til fibre og væ æske)
Årlig elller daglig mæ ængde substtrat (for ekseempel tons per år) Organissk belastningg Mængd de af organisk stof, som tilføres i forho old til rådnettankens aktivve volumen p per døgn (kg VS eller 3 COD/m døgn) Volumeetrisk belastn ning Mængd de substrat (vvådvægt) tilfø ørt i forhold til rådnetankkens aktive vvolumen per døgn (kg sub bstrat/m3 døgn) Hydraulisk opholdsstid Gennem msnitlig behaandlingstid i rrådnetank (rådnetankenss aktive volumen m3/daglig mængde substrat m3/døggn)
2 22 | P a g e
Årlig elller daglig biogas/bio‐meetan produkttion (for ekseempel m3STP CH4 /år) Metan udbytter CH4 pro oduktion perr ton substratt (vådvægt, V VS eller COD)) tilført og needbrudt (m3SSTP CH4 /ton V VS tilført eller needbrudt) Metan eller biogas produceret p per volumen rådnetank o og døgn (for eksempel m3STP CH4 / m3 rådnetank og døgn) Standard temperatur og tryk forhold er norm malt sat til 27 73°K, 1013 h hPa
Udnytttelse af biogaas, for eksem mpel kraft‐varme eller bio o‐metan opgrradering (til ggasnet eller d drivmiddel til køreetøjer) Motor eller turbinee el‐ydelse (M MWe) Kapaciitet for bio‐m metan opgrad deringsenhed d (m3STP biogaas / time) ogg produktion (m3STP bio‐m metan / time) Årlig eller daglig el og / eller varme produkttion (for ekseempel MWhee og / eller MWhth / år) Årlig eller daglig el og / eller varme forbrug af producereet (for eksem mpel MWhe o og / eller MW Whth / år) Årlig eller daglig el og / eller varme forbrug indkøbt (forr eksempel M MWhe og / eller MWhth / åår) som naturggas, olie eller el
Opsamling og logning af såda an informatio on bør ses ssom god ad dfærd / god praksis, og g en del af denne information er nødven ndig for rap pportering af a miljø- og g tilskudsfo orhold på lo okalt eller statsligtt niveau.
2 23 | P a g e
5. M Måleprinc cipper og teknikker benyttet til monite ering af rå ådnetanke e og biom metan anlæg Monitering af rådne etanke og biogas b beha andlingsanlæ æg baseress på et anta al analysem metoder og teknikke er, der er u udviklet til og o som også benyttess i mange andre biokkemiske, ke emiske og ingeniørrmæssige ssammenhæn g / eller mettodologier, nge. Der err også udvikklet særlige metoder og der spe ecielt er retttet mod bio ogassystemer. Eksemp pelvis er prøve forbere edelse nødvvendig på grund af bio-fouling g og det høje partikelind dhold i prøvver fra rådne etanke. Måleprin ncipperne b baserer sig på et begræ ænset antal fysiske, ke emiske eller biologiske teknikker, eller kombinationerr af sådann ne. Nogle måleprincipp m per kan benyttes til mere end en p parameter nogle param metre kan b bestemmes med forskkellige princcipper. Valg get af måle eprincip til mens n monitering kan ba aseres på p pris, nøjagttighed, tidsfforbrug, inte erferens sa amt behov for prøve delse. Nede enfor er angivet nogle a af de mest a anvendte me etoder til mo onitering: forbered 1. Gravime etri S Simpel meto ode til kvantificering af masse (i no ogle samme enhænge ko ombineret m med forbeh handling, eksempelvis til fordam mpning af vvæske som m ved TS a analyse 2 Kromato 2. ografi sseparation af substansser ved derres affinitet overfor en fast og en n flydende ffase (basere et på relativv opløselighe ed, adsorption, størrelsse eller ladn ning) kkan benytte es til væskker eller ga asser og kan k eksemp pelvis benyyttes til at b bestemme individuelle VFA’er og g gas samme ensætning T Teknikkerne e er opdelt i gas kroma atografi (GC C), headspa ace gas kro omatografi ((HS-GC) og g højtryks væ æske kroma atografi (HP P-LC) 3 Elektrokkemi 3. B Baseret p på bestem mmelse a af elektrissk potenttiale, strø øm eller m modstandsm målende ele ektroder kkan benytte es til væske eprøver for at a bestemm me pH, redo ox, konduktivitet samt e et antal ioner såsom a ammonium, kalcium, fo orskellige tu ungmetaller,, karbonat o og sulfid. Err også benyyttet til at bestemme opløst brint 4 Titrimetrri 4. B Bestemmelsse af mæng gden af reag gent der rea agerer med den kompo onent, der sskal bestem mmes kkan benytte es til beste emmelse aff alkalinitet og til indirrekte måling af total V VFA’er 5 Bio-senssorer 5. K Kombinererr selektivitetten af biolo ogiske subsstanser med d mikro-elekktronik og o opto-elektro onik kkan benytte es til bestem mmelse af BOD, B samt på det sene este også a ammoniak o og total VFA A’er 2 24 | P a g e
6 Elektron 6. niske næserr til gas besttemmelse Brug gen af ele ektroniske g gas sensorrer, de såkaldte “ele ektroniske n næser” til indirrekte bestem mmelse af m metabolsk aktivitet. a Denne type sen nsorer forve entes at ha ave et loven nde potentia ale i forbind delse med gasanlæg, d da de er sspecifikke ffor givne sstoffer. Imid dlertid er væske-gas v biog ligevvægte i biogassammen nhæng lang gsomme og g begrænse et i sin natu ur, hvorfor meto oderne behøver yderlig gere udviklin ng. 7 Mikrobio 7. ologi og molekulære væ ærktøjer T Teknikker d der kan be enyttes til optælling a af mikrober eller til DNA/RNA D rrelaterede analyser; disse inkkluderer m mikroskopi, fluorescens, in-situ h hybridisering (FISH), D Denaturering gs Gradient Gel Elektro oforese (DG GGE), realttime polyme erase kæde reaktion (qPCR) og DN NA sekvenssering D Disse teknikker er un ndergået sig gnifikant ud dvikling i de e seneste få år, og a applikation synes at blive mere e udbredt i biogas ssystemer i fremtiden f 8 Spektrometri 8. B Bestemmelsse af abso orbans, tran nsmission, d diffusion, e eller fluoresscens af stråling / lyss i det ultrraviolette ((UV), synlige (VIS) and d infrarøde (IR) ( område e m molekulær spektroskop s pi bestemm mer fedtstoffe er, mens a atom spekttroskopi be estemmer kkomponente er i gas ffase F Fotometriskke bestemm melser som m COD, NH4-N og V VFA’er kan påvirkes aff interferens fra partikler og prøven ns naturlige farve M Metodens a anvendeligh hed til biogassystemerr har værett underlagt betydelig indsats i dett seneste årrti Nogle a etoderne ha ar eller ka an principie elt fremove er af måleme teoretiskk set blive b benyttet til a at konstruerre instrumen nter, der kan n udføre in-line para ameter besstemmelserr i biogassyystemer. E Et antal b benyttes allerede a p på laborattorier, men n i nogle e sammen nhænge er e de ikke e udviklet til komme ercielt brug g (eksemp pelvis onliine HS-GC C basered de sensore er til VFA A bestemm melse (Boe e et al., 2007) 2 og in ntermittent bikarbonat alkalinitetss bestemmelse som rapporte eret af Estevves et al., (2 2000)). Ligelede es er der ud dvikling i mo onitering me ed Infra-Rød d (IR) spekttroskopi og multi-varian nt analyse teknikke er til bestem mmelse at et antal bio ogassystem m relaterede e parametre e. IR spekrroskopi er benyttett eksempelvvis til monittering af VF FA’er, alkaliinitet (partia al og total), COD, total organisk kulstof (TOC), TS og VS, ide entifikation af a primærsllam set ove erfor sekundær slam / biologisk oversku udsslam på å renseanlæg, bio-m metan poten ntiale i sa ammenhæn nge med forskellige f substratter samt rå ådnetank fu unktion på videnskabligt niveau, som af S Steyer et a al. (2002), Lomborrg et al. (200 09), Jacobi et al. (2009), Reed et al. a (2011) og g Lesteur ett al. (2011). Herunder 2 25 | P a g e
er der u udviklet en multi-param meter analyssator med lavt vedlige eholdelsesbe ehov, der kkan levere rimeligt pålidelige resultater. r N Nogle instrum menter kræver imidlertid preparation som filtrrering eller tørring, hvilket gør den uanven ndelige til in n-situ eller in-line til on-line data in ndhentning. Sådanne forhold er imidlertid Med instrum d ikke altid gældende. g menterne skkal følge da ata-modellerr, der skal kalibrere es overfor d de udvalgte e korrelation ner. Dette kkan kræve e et ganske betydeligt b tid dsforbrug, og da fforskellige substrater kan medvirke til beho ov for tilpa asning af m modeller, err sådanne instrume enter ikke u umiddelbart anvendelige til løbende monitering i biogassa ammenhæn ng. Når en model er e kalibrere et, kan besstemmelse foretages m med kort cyyklustid, ind denfor minutter. Der forskes og udvikless løbende p på sådanne modeller, h hvoraf nogle e allerede er e kommerciialiserede, og en gruppe g af fo orskellige mo odeller er a allerede prod duceret af e et antal aka ademiske in nstitutioner og firma aer. Raman spektrometri er så småt ved at fin nde indpas. Akustisk ke emometri vu urderes at have po otentiale i biogas-syst b temer (for e eksempel L Lomborg ett al., 2009 og Lhuneg gbo et al., 2012).
2 26 | P a g e
6. Konklusio K on
Der er mange m para ametre for b biogasanlæg g og bio-me etan anlæg, der kan besstemmes. D Dog er der in-situ og i real-time. Baggrunden stadig e et antal para ameter, derr ikke kan bestemmes b B n herfor er eksemp pelvis analyttiske proble emer, signiffikante vedliigeholdelses- og omko ostningskravv. I denne moniterings guide er der valg gt og beskrrevet mange e parametre e, der vil m medvirke til en sikker tilgang ttil moniterin ng. Disse nøgleparame etre for monitering er udvalgt af e eksperter b baseret på forsknin ng og udvikling og prakttisk erfaring g fra arbejde e med bioga as systemerr og bio-mettan anlæg fra hele e Europa. Forskellige monitering gs paramete er kan ben nyttes afhæ ængigt af m målet med biogas- og opgrad deringsanlæ æg, i hvilke en udstrækkning der sskal foretag ges kontrol,, type og bstrat benytttet, rådneta anksteknolo ogi og markked for prod duceret ferm mentat og karakterristik af sub bio-meta an.
Substra at type og kkarakteristik, forbehand dling og lag gring samt rrådnetank design d har ssignifikant betydnin ng for ydee evnen af bio ogas anlægget. Her ud d over kan det multi-ba akterielle ko onsortium, der er i rådnetan nken være unikt (i diiversitet og g kvantitet) og de ke emiske reakktioner er nke ikke ide entiske og komplekkse. Derfor,, og til trodss for, at derr er lighederr i funktion, er rådnetan reagere er ikke altid på p same må åde. Der er generelle g guidelines fo or drift af råd dnetanke, m men det er ikke mu uligt eksakkt at define ere et optiimum for e en rådneta ank, da en n række biokemiske kompon nenter, derres koncen ntration me ed videre ikke kan defineres med sikkkerhed. I alminde elighed vil lø øbende kara akterisering af substratter (TS og V VS, bionedb brydelighed,, næringsog sporrstoffer sam mt mulige hæ æmmende kkomponente er) der fører til et passsende rådne etanks- og driftsdessign samme en med reg gistrering aff rådnetank ydeevne, eksempelvis e s metan flow wrater, så vel som m restkoncentration a af individue elle VFA’er og alkalin nitet, være ideelle m moniterings parametre. Disse parametre tilsammen er i de ffleste tilfæld de tilstrækkeligt til att udstikke passend de og ganske hurtige kontrolforan k nstaltninger for at sikre e og optimere rådnetan nksdrift og ydeevne e. Imidlertid d kan det stadig væ ære nødvend digt at fore etage mere e grundig kontrol af processsen ved yde erligere anallyser for at fforstå utilstrrækkelig elle er ringe yde eevne, samt evaluere aktivitetten, diversitteten og kvvantiteten af a de forske ellige mikrob bielle populationer. Ud d over, at del for rådn netanksdrifte en og ydelsen, kan derr være andrre årsager monitering og kontrol er til ford til at mo onitere, for eksempel ffor at imød dekomme kvvalitetskrav for udløb fra f rådnetan nken eller slutbrug ger krav og b behov.
På sam me må er det vist, a at moniterin ng af bio-m metan kvalitet og kvantitet foru uden flere driftsparrametre givver signifikant input til e effektiv, sikkker og pålid delig drift aff opgraderin ngsanlæg. Monitering og lagrring af datta for en rrække bio-m metan kvaliitetsparame etre er påkkrævet før injektion n i naturgassnet eller ve ed brug til d drivmiddel tiil køretøjer, og de eksa akte krav ka an variere landene e imellem. Uanset dettte er der b behov for e en komplett og sporba ar dokumen ntation for produce eret bio-metan, hvilkett også bør ses som et aktiv forr anlæggetss drift. Afhængigt af 2 27 | P a g e
anlægstteknologi vvil moniterin ng og lagriing af givn ne paramettre give um middelbar adgang a til identifikation af utilsstrækkelig a anlægsdrift samt danne e basis for optimering. o Her ud overr bibringer det en grundig ba asis for fasttlæggelse a af vedligeholdelsesbeh hov af anlæ æg og kom mponenter, hvilket ig gen medvirkker til maksimeret driftsstid.
2 28 | P a g e
7. Reference R er
Boe K., Batstone D D.J., Steyerr J.-P. and A Angelidaki II. (2010) State indicato ors for moniitoring the anaerob bic digestion n process. Water W Research 44: 59 973-5980. Boe, K.,, Batstone, D.J., Angeliidaki, I. (200 07) An innovative online VFA mon nitoring syste em for the anerobicc processs, based on headsspace gass chromattography. Biotechnology and Bioengineering, 96 (4): 712-72 21. Chen Y Y., Cheng J.J., Creame er K.S. (2008) Inhibition n of anaerobic digestio on process: A review. Bioresource Technology 99(10 0): 4044–40 064 De Vrie eze J, He ennebel T., Boon N., and Verrstraete W. (2012) Methanosarc M cina: The rediscovvered metha anogen for heavy duty biomethana ation. Bioressource Tech hnology 112 2: 1-9. Estevess, S.R.R., W Wilcox, S.JJ, O’Neill, C C., Hawkess, F.R. and d Hawkes, D.L. (2000 0) On-line Monitoring of Anae erobic-Aerobic Biotreattment of a Simulated Textile Effluent for Se election of Control Parameterss. Environm mental Techn nology 21(8 8): 927-936. Fricke K K., Santen H., Wallma ann R., Huttner A. an nd Dichtl N. (2006) Op perating pro oblems in anaerob bic digestion n plants resulting from nitrogen in MSW. Wastte Managem ment 27: 30 0–43. Jacobi, H.F., Moscchner, C.R, and Hartu ung, E. (20 009) Use off near infra ared spectro oscopy in nd Technolo ogy 60(2), monitoring of volattile fatty acids in anaerrobic digesttion. Water Science an 339 – 34 46. Lesteur, M., Latrille e, E., Bellon n-Maurel, V V., Roger, JJ.M., Gonza alez, C., Jun nqua, G. an nd Steyer, 010) First sstep towards a fast an nalytical me ethod for th he determin nation of bio ochemical J.P. (20 methane e potential of solid wa astes by near infrared d spectrosccopy. Bioresscource Te echnology. 102(3): 2280-2288.. Lhunegbo F.N., Madsen M M., Esbensen K.H., Holm m-Nielsen JJ.B. and Halstensen M. M (2012) Acousticc chemome etric prediction of total solids in bioslurry: A ffull-scale feasibility study for online biog gas processs monitoring g. Chemome etrics and In ntelligent La aboratory Syystems 110 0 (1): 135– 143 Lomborrg C.J, Holm m-Nielsen JJ. B., Oleskkowicz-Popiiel P, Esbensen K.H. (2009) Nea ar infrared and aco oustic chem mometrics m monitoring off volatile fattty acids and dry matte er during co o-digestion of manu ure and maize silage. Bioresource B Technologyy 100 (5): 1711–1719 Madsen n M., Holm--Nielsen J.B B. and Esb bensen K.H. (2011) Mo onitoring off anaerobic digestion processses: A revie ew perspecctive. Renew wable and Sustainable e Energy R Reviews, 15 5: 3141 – 3155
2 29 | P a g e
Monson n K.D., Esteves S.R., Guwy A.J. and Dinssdale R.M. (2007) Anaerobic Dig gestion of Wastes Review, Universityy Biodegrradable M Municipal – A of G Glamorgan ISBN 97 78-1-84054--156-5. Reed, J.P., Devlin, D., Esteves, S.R..R., Dinsda ale, R., Gu uwy, A.J. (2011) Perrformance wage sludge digesterss using refflectance FT T-NIR specctroscopy. parameter prediction for sew Water R Research, 45(8): 2463 – 2472. Spanjerrs, H. and van v Lier, J.B B. (2006) In nstrumentattion in anae erobic treatm ment – rese earch and practice e. Water Science and T Technology, 53(4-5): 63 3-76. Steyer J.P., Bouviier J.C., Co onte T., Grras P., Sou usbie P. (2002) Evaluation of a four year experien nce with a fully insstrumented anaerobic digestion process. W Water Scie ence and Technology, 45(4-5 5): 495 – 50 02.
3 30 | P a g e
