Biokaasuntuotanto korkeakiintoainepitoisesta yhdyskuntajätevesilietteestä
Törmänen, Sanna (2024)
2024
Ympäristö- ja energiatekniikan DI-ohjelma - Programme in Environmental and Energy Engineering
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2024-05-31
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202405296457
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202405296457
Tiivistelmä
Jäteveden käsittelyn sivutuotteena syntyy jätevesilietettä, joka sisältää hyödynnettävissä olevia ravinteita ja energiaa. Jätevesilietteen sisältämää energiaa voidaan hyödyntää tuottamalla siitä biokaasua anaerobisen hajoamisen avulla. Jätevesilietteestä tuotettua biokaasua voidaan hyödyntää lämmön- ja sähköntuotannossa tai siitä voidaan jalostaa biometaania liikennepoltto-aineeksi.
Kiertotalouden edistämiseksi lainsäädäntö vaatii jätevedenpuhdistamoilta panostuksia resurssi- ja energiatehokkuuteen. Mädätettävän lietteen kiintoainepitoisuuden kasvattaminen on lupaava vaihtoehto jätevedenpuhdistamoiden energiatehokkuuden parantamiseksi. Biokaasun-tuotto jätevesilietettä mädättämällä on yleistä, mutta perinteisillä tiivistysmenetelmillä, kuten gravitaatiotiivistimillä, saavutettava mädätettävän lietteen kiintoainepitoisuus on matala. Gravitaatiotiivistimillä lietettä voidaan tiivistää enintään 4–6 %:n kuiva-ainepitoisuuteen. Lietteen kiintoainepitoisuutta voidaan nostaa mekaanisella tiivistyksellä, jolloin lietteestä saadaan erotettua enemmän vettä kuin perinteisillä tiivistysmenetelmillä. Mekaanisella tiivistyksellä lietteen kuiva-ainepitoisuus voidaan nostaa 6–25 %:iin.
Tämän työn tavoitteena oli selvittää, miten korkeakiintoainepitoisen yhdyskuntajätevesilietteen anaerobinen hajoaminen vaikuttaa jätevedenpuhdistamon lietteenkäsittelyprosessiin ja bio-kaasuntuottoon. Työn tutkimuskohteena oli Jyväskylän Seudun Puhdistamo Oy:n Nenäinniemen jätevedenpuhdistamo, jonka lietteenkäsittelyprosessi uudistettiin kokonaisuudessaan vuosina 2021–2023 ja lietteen gravitaatiotiivistys korvattiin mekaanisella linkotiivistyksellä. Muutos nosti lietteen kuiva-ainepitoisuuden 3,5 %:sta noin 10 %:iin, jonka vuoksi liete voitiin mädättää kolmen mädättämön sijaan yhdessä bioreaktorissa ja jälkimädättää lämmittämättömässä reaktorissa. Muutoksen myötä bioreaktorin OLR:ää voitiin kasvattaa pitäen samalla HRT yhtä pitkänä kuin vanhassa prosessissa. Työn aineistona käytettiin Nenäinniemen jätevedenpuhdistamon automaatiojärjestelmien mittausdataa ja käyttötarkkailunäytteiden tuloksia.
Tulosten perusteella korkeakiintoainepitoisen lietteen mädätys vähensi lietteenkäsittelyn energiankulutusta matalakiintoainepitoiseen lietteeseen verrattuna. Tutkimuskohteessa lietteen lämmityksen energiankulutus väheni 71 %. Lietteen linkotiivistys lisäsi lietteenkäsittelyprosessin energiankulutusta. Tiivistyslinkojen sähkönkulutus oli tutkimuskohteessa 13 % lietteenkäsittelyn sähkönkulutuksesta. Tutkimuskohteessa prosessimuutos myös paransi lietteen hajoamista. Uudessa prosessissa lietteen TS-vähenemä oli bioreaktorissa ja jälkimädätysreaktorissa yhteensä 40 %, kun vanhassa prosessissa kolmen mädättämön TS-vähenemien keskiarvo oli 37 %. Korkeakiintoainepitoisen lietteen mädättäminen voi vaatia enemmän operointia kuin matala-kiintoainepitoisen lietteen. Tutkimuskohteessa linkotiivistys lisäsi lietteenkäsittelyn operointitarvetta, sillä tiivistys- ja vedenerotuslinkoja säädettiin manuaalisesti ja tavoitekuiva-ainepitoisuuden saavuttaminen oli haastavaa. Bioreaktori vaahtosi noin kahden kuukauden ajan, mikä laski biokaasuntuottoa noin 6 %. Vaahtoamisen syytä ei saatu selville, mutta sen oletettiin liittyvän lietteen lyhyeen viipymään bioreaktorissa ja lietteen liialliseen sekoitukseen.
Tulosten perusteella bioreaktorin syötteenä käytettävän matalakiintoainepitoisen jätevesilietteen korvaaminen korkeakiintoainepitoisella lietteellä on energiatehokkuuden näkökulmasta kannattavaa. Lisäselvitystä vaatii muutoksen taloudellinen kannattavuus ja olemassa olevien rakenteiden hyödyntämismahdollisuus, jos lietteenkäsittelyprosessi muutetaan matalakiintoainepitoisen lietteen mädätyksestä korkeakiintoainepitoisen lietteen mädätykseen. As a by-product of wastewater treatment, sewage sludge contains nutrients and energy that can be utilized. The energy contained in sewage sludge can be harnessed by producing biogas through anaerobic digestion. Biogas produced from sewage sludge can be used for heat and power generation, or it can be refined into biomethane for use as a transportation fuel source.
To promote circular economy, current legislation requires wastewater treatment plants to invest in resource and energy efficiency. Increasing the total solid content in sludge to be di-gested is a promising option for improving the energy efficiency of wastewater treatment plants. Biogas production from the digestion of sewage sludge is a common practice, but traditional thickening methods, such as gravity thickening, achieve low total solid content in the sludge to be digested. Gravity thickeners can thicken the sludge to a total solids content of 4–6 % at most. The total solid content of sludge can be increased by mechanically thickening the sludge to remove water, thus reducing the volume of the sludge. Mechanical thickening can increase the total solids content of sludge to 6–25 %.
The aim of this study was to determine how the anaerobic digestion of high-solid municipal sewage sludge affects the sludge treatment process and biogas production at a wastewater treatment plant. The study focused on the Nenäinniemi wastewater treatment plant owned by Jyväskylän Seudun Puhdistamo Oy. The plants sludge treatment process was completely overhauled between 2021 and 2023 by replacing gravity thickening with mechanical centrifugal thickening. This change increased the total solids content of the sludge from 3.5 % to approximately 9 %, allowing the sludge to be digested in one bioreactor and post-digested in unheat-ed reactor instead of three digesters. The change allowed to increase OLR without reducing HRT. The study utilized measurement data from the plants automation system as well as results from the operational monitoring samples.
Based on the results, digestion of high-solid sludge reduced the energy consumption of sludge treatment compared to low-solid sludge. In the study, the energy consumption for heat-ing the sludge decreased by 71 %. The energy consumption of sludge treatment process only slightly increased due to the use of centrifugal thickeners. The electricity consumption of the centrifugal thickeners was 13 % of the total electricity consumption of the sludge treatment process. The process changes improved sludge digestion as well. TS-reduction of bioreactor and post-digestion reactor was 40 % while in the old process the reduction was 37 %. Digestion of high-solid sludge may require more operation than low-solid sludge. In the study centrif-ugal thickening increased the operational needs of the sludge treatment process, as the thick-eners and dryers needed to be adjusted manually. The bioreactor foamed for about two months, reducing biogas production by about 6 %. The cause of the foaming was not identified, but it was assumed to be related to the short retention time of the sludge in the bioreactor and excessive mixing of the sludge.
Based on the result, replacing low-solid sludge with high-solid sludge as the feed for the bi-ogas reactor is beneficial from an energy efficiency perspective. Further investigation is needed into the economic feasibility of the change and the potential for utilizing existing structures if the sludge treatment process is changed from the digestion of low-solid sludge to high-solid sludge.
Kiertotalouden edistämiseksi lainsäädäntö vaatii jätevedenpuhdistamoilta panostuksia resurssi- ja energiatehokkuuteen. Mädätettävän lietteen kiintoainepitoisuuden kasvattaminen on lupaava vaihtoehto jätevedenpuhdistamoiden energiatehokkuuden parantamiseksi. Biokaasun-tuotto jätevesilietettä mädättämällä on yleistä, mutta perinteisillä tiivistysmenetelmillä, kuten gravitaatiotiivistimillä, saavutettava mädätettävän lietteen kiintoainepitoisuus on matala. Gravitaatiotiivistimillä lietettä voidaan tiivistää enintään 4–6 %:n kuiva-ainepitoisuuteen. Lietteen kiintoainepitoisuutta voidaan nostaa mekaanisella tiivistyksellä, jolloin lietteestä saadaan erotettua enemmän vettä kuin perinteisillä tiivistysmenetelmillä. Mekaanisella tiivistyksellä lietteen kuiva-ainepitoisuus voidaan nostaa 6–25 %:iin.
Tämän työn tavoitteena oli selvittää, miten korkeakiintoainepitoisen yhdyskuntajätevesilietteen anaerobinen hajoaminen vaikuttaa jätevedenpuhdistamon lietteenkäsittelyprosessiin ja bio-kaasuntuottoon. Työn tutkimuskohteena oli Jyväskylän Seudun Puhdistamo Oy:n Nenäinniemen jätevedenpuhdistamo, jonka lietteenkäsittelyprosessi uudistettiin kokonaisuudessaan vuosina 2021–2023 ja lietteen gravitaatiotiivistys korvattiin mekaanisella linkotiivistyksellä. Muutos nosti lietteen kuiva-ainepitoisuuden 3,5 %:sta noin 10 %:iin, jonka vuoksi liete voitiin mädättää kolmen mädättämön sijaan yhdessä bioreaktorissa ja jälkimädättää lämmittämättömässä reaktorissa. Muutoksen myötä bioreaktorin OLR:ää voitiin kasvattaa pitäen samalla HRT yhtä pitkänä kuin vanhassa prosessissa. Työn aineistona käytettiin Nenäinniemen jätevedenpuhdistamon automaatiojärjestelmien mittausdataa ja käyttötarkkailunäytteiden tuloksia.
Tulosten perusteella korkeakiintoainepitoisen lietteen mädätys vähensi lietteenkäsittelyn energiankulutusta matalakiintoainepitoiseen lietteeseen verrattuna. Tutkimuskohteessa lietteen lämmityksen energiankulutus väheni 71 %. Lietteen linkotiivistys lisäsi lietteenkäsittelyprosessin energiankulutusta. Tiivistyslinkojen sähkönkulutus oli tutkimuskohteessa 13 % lietteenkäsittelyn sähkönkulutuksesta. Tutkimuskohteessa prosessimuutos myös paransi lietteen hajoamista. Uudessa prosessissa lietteen TS-vähenemä oli bioreaktorissa ja jälkimädätysreaktorissa yhteensä 40 %, kun vanhassa prosessissa kolmen mädättämön TS-vähenemien keskiarvo oli 37 %. Korkeakiintoainepitoisen lietteen mädättäminen voi vaatia enemmän operointia kuin matala-kiintoainepitoisen lietteen. Tutkimuskohteessa linkotiivistys lisäsi lietteenkäsittelyn operointitarvetta, sillä tiivistys- ja vedenerotuslinkoja säädettiin manuaalisesti ja tavoitekuiva-ainepitoisuuden saavuttaminen oli haastavaa. Bioreaktori vaahtosi noin kahden kuukauden ajan, mikä laski biokaasuntuottoa noin 6 %. Vaahtoamisen syytä ei saatu selville, mutta sen oletettiin liittyvän lietteen lyhyeen viipymään bioreaktorissa ja lietteen liialliseen sekoitukseen.
Tulosten perusteella bioreaktorin syötteenä käytettävän matalakiintoainepitoisen jätevesilietteen korvaaminen korkeakiintoainepitoisella lietteellä on energiatehokkuuden näkökulmasta kannattavaa. Lisäselvitystä vaatii muutoksen taloudellinen kannattavuus ja olemassa olevien rakenteiden hyödyntämismahdollisuus, jos lietteenkäsittelyprosessi muutetaan matalakiintoainepitoisen lietteen mädätyksestä korkeakiintoainepitoisen lietteen mädätykseen.
To promote circular economy, current legislation requires wastewater treatment plants to invest in resource and energy efficiency. Increasing the total solid content in sludge to be di-gested is a promising option for improving the energy efficiency of wastewater treatment plants. Biogas production from the digestion of sewage sludge is a common practice, but traditional thickening methods, such as gravity thickening, achieve low total solid content in the sludge to be digested. Gravity thickeners can thicken the sludge to a total solids content of 4–6 % at most. The total solid content of sludge can be increased by mechanically thickening the sludge to remove water, thus reducing the volume of the sludge. Mechanical thickening can increase the total solids content of sludge to 6–25 %.
The aim of this study was to determine how the anaerobic digestion of high-solid municipal sewage sludge affects the sludge treatment process and biogas production at a wastewater treatment plant. The study focused on the Nenäinniemi wastewater treatment plant owned by Jyväskylän Seudun Puhdistamo Oy. The plants sludge treatment process was completely overhauled between 2021 and 2023 by replacing gravity thickening with mechanical centrifugal thickening. This change increased the total solids content of the sludge from 3.5 % to approximately 9 %, allowing the sludge to be digested in one bioreactor and post-digested in unheat-ed reactor instead of three digesters. The change allowed to increase OLR without reducing HRT. The study utilized measurement data from the plants automation system as well as results from the operational monitoring samples.
Based on the results, digestion of high-solid sludge reduced the energy consumption of sludge treatment compared to low-solid sludge. In the study, the energy consumption for heat-ing the sludge decreased by 71 %. The energy consumption of sludge treatment process only slightly increased due to the use of centrifugal thickeners. The electricity consumption of the centrifugal thickeners was 13 % of the total electricity consumption of the sludge treatment process. The process changes improved sludge digestion as well. TS-reduction of bioreactor and post-digestion reactor was 40 % while in the old process the reduction was 37 %. Digestion of high-solid sludge may require more operation than low-solid sludge. In the study centrif-ugal thickening increased the operational needs of the sludge treatment process, as the thick-eners and dryers needed to be adjusted manually. The bioreactor foamed for about two months, reducing biogas production by about 6 %. The cause of the foaming was not identified, but it was assumed to be related to the short retention time of the sludge in the bioreactor and excessive mixing of the sludge.
Based on the result, replacing low-solid sludge with high-solid sludge as the feed for the bi-ogas reactor is beneficial from an energy efficiency perspective. Further investigation is needed into the economic feasibility of the change and the potential for utilizing existing structures if the sludge treatment process is changed from the digestion of low-solid sludge to high-solid sludge.