Evaluering av en kombinert produksjon av bioplast og biogass fra slam sammenlignet med tradisjonell biogassproduksjon

Abstract

Slam er et uunngåelig biprodukt fra avløpsrenseanlegg og i 2008 ble det generert nesten 10 millioner tonn tørrstoff slam i EU. Behandling og deponering av slam kan utgjøre opp til 60 % av de totale kostnadene ved et avløpsrenseanlegg. Optimalisering av utnyttelse av slam er derfor av stor interesse.

Slam har potensiale til å bli brukt som en fornybar ressurs til å produsere blant annet biogass og i 2008 ble det årlige potensialet for biogassproduksjon i Europa anslått til å være i overkant av 200 milliarder m3. Biogass er en energiholdig gass bestående av hovedsakelig metan og karbondioksid og energien som produseres vil være CO2-nøytral, i motsetning til ikke-fornybare energikilder som for eksempel olje, naturgass eller kull. Produksjon av biogass kan fremdeles ikke utnytte hele potensialet av slam som råmaterial, og det behøves derfor nye, innovative prosesser for utnyttelse av slam ved produksjon av høyverdige produkter.

I 2012 var den globale produksjonen av plast på 288 millioner tonn, og per innbygger i Vest-Europa var forbruket av plast på ca. 100 kg i året. Det er et velkjent problem med akkumulering av plastavfall i naturen, og det er estimert at det flyter rundt ca. 17 760 plastbiter per km2 i havet. Dette plastavfallet kommer nesten utelukkende fra petroleum, det er veldig resistent mot naturlig, biologisk nedbrytning og kan være direkte skadelig for økosystemet og det akvatiske liv.

Biologisk nedbrytbare plastprodukter kan degraderes til vann, karbondioksid og biomasse, og blant disse har polyhydroksyalkanater (PHA) tiltrukket seg mye oppmerksomhet. PHA produseres hovedsakelig av mikroorganismer og innehar materielle egenskaper som ligner syntetiske termoplaster og elastomere som brukes i dag. PHA har blitt ansett som en miljøvennlig og biokompatibel plast med lovende applikasjoner innen medisin, farmasi og industri. I løpet av de tre siste tiårene har PHA også vekket industriell interesse fordi denne bioplasten kan syntetiseres fra fornybare karbonkilder, basert på landbruksavfall, industrielt avfall eller slam.

Denne masteroppgaven foretar en vurdering av om produksjon av biogass fra slam kan gjøres mer gunstig ved å inkludere et trinn for produksjon av bioplast. Oppgaven presenterer to alternativer; (1) en kombinert prosess for produksjon av bioplast og biogass, og (2) en referanseprosess hvor det kun produseres biogass. Massebalanser har blitt utført for å undersøke utbyttet av bioplast og biogass i den kombinerte prosessen, og resultatene har blitt sammenlignet med referanseprosessen. Et forenklet estimat for energiforbruket i prosessene har også blitt beregnet ved hjelp av energibalanser for de mest energikrevende komponentene i prosessanleggene. Energiforbruket har deretter blitt sammenlignet med energipotensialet i biogassen som produseres.

Resultatene fra massebalansene viser at det teoretisk sett er mulig å oppnå 118 g bioplast og 0,30 m3 ren metangass per kg tørrstoff slam som benyttes i den kombinerte prosessen. For referanseprosessen kan det oppnås 0,48 m3 ren metangass per kg tørrstoff slam. Begge prosessanleggene oppnår en biogass med 53 % metangass, og ved å oppgradere biogassen til biometan, med 97 % metaninnhold, kan gassen selges videre som energikilde.

Det har blitt foretatt et forenklet energiregnskap og energiforbruket er på 1954 kWh for den kombinerte prosessen og 2396 kWh for referanseprosessen, mens energiinnholdet i biometan som kan benyttes er 2108 kWh for den kombinerte prosessen og 3364 kWh for referanseprosessen.

For en helhetlig økonomisk vurdering rundt det kombinerte prosessanlegget bør det beregnes utfyllende energibalanser, samt investeringskostnader for utstyr og kostnader ved behandling og deponering av bioresten som dannes. Ut fra den forenklede økonomiske vurderingen som er gjort i denne masteroppgaven fremstår det likevel som gunstig å vurdere en utvidet biogassproduksjon hvor det inkluderes produksjon av bioplast.

Sludge is an unavoidable by-product of wastewater treatment. In 2008, almost 10 million tons of dry solids of sludge was generated in the EU. The treatment and disposal of sludge may constitute up to 60% of the total cost of a wastewater treatment plant. Optimization of the utilization of sludge is therefore of great interest.

Sludge has a potential to be used as a renewable resource from which it is possible to produce for example biogas. In 2008, the annual potential for biogas production in Europe were estimated being more than 200 billion m3. Biogas is an energy-containing gas consisting mostly of methane and carbon dioxide. The energy produced from the biogas will be CO2 neutral, as opposed to nonrenewable energy sources such as oil, natural gas or coal. The production of biogas from sludge still does not utilize the whole potential of the sludge as a raw material. Thus, new innovative processes of sludge utilization for production of high-value products are needed.

In 2012, the global production of plastics were 288 million tons, and per capita in Western Europe consumption of plastics is about 100 kg a year. It is a well-known problem with the accumulation of plastic waste in nature, and it is estimated that there are 17,760 pieces of plastic per km2 in the ocean. This plastic waste comes almost exclusively from petroleum, it is very resistant to natural biodegradation and can be directly harmful to the ecosystem and aquatic life.

Biodegradable plastics can be degraded into water, carbon dioxide and biomass, and among these plastics Polyhydroxyalkanoates (PHAs) has attracted much attention. PHAs are mainly produced by microorganisms and possess material properties similar of synthetic thermoplastics and elastomers that are used today. PHA has been regarded as an environmentally friendly and biocompatible plastic with promising applications in the field of medicine, pharmacy and industry.

Over the last three decades, PHA has awakened industrial interest as well, because of the possibilities of being synthesized from renewable carbon sources such as agricultural waste, industrial waste or municipal sludge. This master thesis evaluates the possibility of making the production of biogas from sludge more beneficial by including a step for production of bioplastics. The thesis presents two options; (1) a combined process for the production of bioplastics and biogas and (2) a reference process in which only biogas is produced. Mass balances have been carried out to examine the yield of bioplastics and biogas in the combined process and the results have been compared with the reference process.

A simplified estimate of energy consumption in the processes have also been calculated using energy balances for the most energy-intensive components of the processing plants. The energy consumption has then been compared to the energy potential of the biogas produced.

The results from the mass balances shows that it is theoretically possible to achieve 118 g bioplastics and 0.30 m3 pure methane gas per kg of dry solids of sludge in the combined process. For the reference process it is possible to obtain 0.48 m3 methane per kg of dry solids of sludge. Both plants are achieving a biogas with 53% methane, and by upgrading this biogas to bio methane, with 97% methane content, the gas can be sold as an energy source.

Simplified energy balances have been carried out and the energy consumption is 1954 kWh for the combined process and 2396 kWh for the reference process. The energy content of bio-methane is 2108 kWh for the combined process and 3364 kWh for the reference process.

To achieve a comprehensive economic assessment of the combined process, complementary energy balances, as well as investment costs for equipment and costs of treatment and disposal of digestate should be calculated. From the simplistic economic assessment made in this thesis the conclusion is that it is beneficial to consider an enhanced biogas production where the production of bioplastics is included.