temperature optimization of anaerobic digestion at the ... 1.1.2 anaerobic digestion anaerobic...

Temperature optimization of anaerobic digestion at the Käppala Waste Water

Treatment Plant Temperaturoptimering av Käppalas rötningsprocess

Sofia Bramstedt

Industrial and Environmental Biotechnology

Royal Institute of Technology

Master Thesis 2015

2

ABSTRACT

The Käppala Waste Water treatment plant treats water from 11 municipalities in Stockholm, Sweden. In

addition to treating wastewater, Käppala uses sludge to produce biogas. Biogas has a high economic value.

Käppala upgrades biogas from ca 65% methane to 97% methane before it is sold to Stockholms Länstrafik

(SL). The sale of methane gas generates an income of around 27 MSEK each year. Käppala wants to

investigate if the process could be optimized in order to increase the profit.

Today, the anaerobic digestion at Käppala is operated at 37 ⁰C in two digesters; R100 and R200. In general,

anaerobic digestion processes are often operated in either a mesophilic temperature interval (30-40 ⁰C)

or a thermophilic temperature interval (50-60 ⁰C). The literature regarding whether it is possible to

establish a stable digestion process in the temperature interval between mesophilic and thermophilic is

inconsistent. In this report, the optimal temperature for Käppala´s anaerobic digestion process is

investigated. Economic aspects, environmental effects, process stability and seasonal variations are

considered when determining the optimal temperature. It should also be determined if a stable process

can be obtained in the temperature interval between mesophilic and thermophilic.

The project is divided into two parts; a laboratory part and a modelling part. In the laboratory investigation,

the anaerobic digestion process in R100 is mimicked with respect to substrate. The process is evaluated

for different temperatures and organic loading rates. Two reactors were set to a temperature of 37 °C,

two were set to 45 °C and the remaining two were set to 55 °C. The organic loading rate is first set to 3

kgVS/(m3,day) in all reactors, then increased with 25%, VS stands for volatile solids. During a period of four

and a half months, the process stability is evaluated for the three different temperatures. The evaluation

is done by measuring the concentration of volatile fatty acids, pH and alkalinity in the digested sludge as

well as measuring the biogas production and the methane content of the produced gas. The results

indicate that the lab scale process in general was more instable than the large-scale process. However,

the differences in process stability between the different temperatures were small.

The data from the measurements are used in the modelling part as well as in the evaluation of the process

stability for the different temperatures. The most important analyses are the biogas production

measurements and methane content measurements. There is an obvious difference in methane

production between the different temperatures. The digestion run at 37 ⁰C produces the most methane

gas. In the modelling part, a mathematical model was created through literature search, laboratory data

and function determinations. The input variables in the mathematical model are digestion temperature,

organic loading rate, methane content after upgrading and the partitioning between the three current

applications for the produced gas. The outputs are the system’s monetary profit and carbon dioxide

footprint. The profit for the system at 37 ⁰C as digestion temperature is 10-20% larger than for the other

digestion temperatures. The total carbon dioxide footprint from the system at 37 ⁰C is 3-12% higher than

for the other temperatures. Despite the higher total carbon dioxide footprint, the environmental impact

from the system at 37 ⁰C is regarded as more positive than the environmental impact from the system at

45 ⁰C or 55 ⁰C. This conclusion is based on the fact that the system at 37 ⁰C lowers the carbon dioxide

footprint from fossil energy sources with 6-12% more than the system at the other temperatures. This

output result is independent on variation in organic loading rate and heating requirements.

Keywords: Biogas, Methane gas, Anaerobic digestion, Wastewater treatment

3

SAMMANFATTNING

Käppala är ett avloppsvattenreningsverk som renar vatten från 11 kommuner i Stockholm. Förutom att

rena avloppsvatten använder Käppala slam för att producera biogas. Biogasen är en ekonomiskt värdefull

produkt. Käppala uppgraderar biogasen från ca 65% metan till 97% metan innan den säljs vidare till

Stockholms länstrafik (SL). Försäljningen av metangasen genererar en inkomst på runt 27 MSEK per år.

Käppala vill ta reda på om processen går att optimera för att öka vinsten.

Idag kör Käppala sin anaeroba rötningsprocess vid 37 ⁰C i två stycken rötkammare, R100 och R200.

Generellt körs anaeroba rötningsprocesser oftast i antingen mesofilt temperaturintervall (30-40 ⁰C) eller

termofilt temperaturintervall (50-60 ⁰C). Det finns motstridig litteratur på om det är möjligt att etablera

en stabil rötningsprocess i temperaturintervallet mellan mesofilt och termofilt, det är troligtvis beroende

på den totala processen. I denna rapport är den optimala temperaturen för Käppalas anaeroba

rötningsprocess undersökt. Temperaturen ska optimeras med avseende på ekonomi, miljöpåverkan,

processtabilitet och säsongsvariationer. Det ska även undersökas om det är möjligt att upprätta en stabil

process i temperaturintervallet mellan mesofilt och termofilt.

Projektet är uppdelat i två delar; en laborativdel och en modelleringsdel. I den laborativa undersökningen

är den anaeroba rötningsprocessen i R100 härmad i sex småskaliga reaktorer förutom temperaturen och

den organiska belastningen. Temperaturen i reaktorerna är satt till 37 ⁰C, 45 ⁰C respektive 55 ⁰C för två

reaktorer var. Den organiska belastningen är först satt till 3 kgVS/(m3,dag) i alla reaktorer för att sedan

ökas med 25%, VS står för det engelska uttrycket volatile solids som på svenska översätts till glödförlust.

Under en period på fyra och en halv månad är processtabiliteten utvärderad för de tre olika

temperaturerna. Utvärderingen är gjord genom att mäta koncentrationen av flyktiga syror, pH och

alkalinitet på det rötade slammet, samt genom att mäta biogasproduktionen och metanhalten i den

producerade gasen. Resultatet är att processen i labbskala generellt är mindre stabilt än processen i

fullskala. Dock är skillnaderna i processtabilitet mellan de olika temperaturerna små.

Förutom utvärdering av processtabiliteten av olika rötningstemperaturer används data från mätningarna

i modelleringsdelen. De viktigaste mätningarna är produktionen av biogas och metanhalt . Det är en tydlig

skillnad i metanproduktionen mellan de olika temperaturerna. Rötningsprocess som körs i 37 ⁰C

producerar mest metangas.

I modelleringsdelen är en matematisk modell konstruerad genom litteratursökning, data från den

laborativa delen och funktionsbestämningar. Inputvariablerna i den matematiska modellen är

rötningstemperatur, organisk belastning, metanhalt efter uppgradering och uppdelning av gasen på de

tre befintliga användningsområdena. Output från modellen är en ekonomisk balans över systemet och

systemets koldioxidavtryck. Vinsten från systemet vid rötningstemperatur 37 ⁰C är 10-20% högre än för

de andra temperaturerna. Det totala koldioxidavtrycket för systemet vid 37 ⁰C är 3-12% högre än för de

andra röttemperaturerna. Trots det högre totala koldioxidavtrycket anses miljöpåverkan från systemet

vid en röttemperatur på 37 ⁰C som mer positivt än miljöpåverkan från systemet vid 45 ⁰C eller 55 ⁰C.

Denna slutsats baseras på att systemet vid 37 ⁰C sänker koldioxidavtrycket från fossila energikällor med

6-12% mer än vad systemet gör vid de andra temperaturerna. Modelleringsresultaten för ekonomi och

miljö är oberoende av säsongsvariation i organisk belastning och uppvärmningsbehov.

Nyckelord: Biogas, Metangas, Anaerob rötning, Avloppsrening

4

CONTENT

Abstract ......................................................................................................................................................... 2

Sammanfattning ............................................................................................................................................ 3

Abbreviations ................................................................................................................................................ 6

1 Introduction .......................................................................................................................................... 7

1.1 Background ................................................................................................................................... 7

1.1.1 Water treatment plant .......................................................................................................... 7

1.1.2