| Forside | | Indhold | | Forrige | | Næste |

Samlerapport for projekter om bioforgasning af organisk dagrenovation gennemført 2000-2002

4 Sammensætning og biogaspotentiale af kildesorteret organisk dagrenovation

Grundlaget for bedømmelsen af sammensætning og biogaspotentiale af kildesorteret organisk dagrenovation i Danmark har hidtil været mangelfuldt idet der ikke har været gennemført undersøgelser, hvor sammenhængen mellem kildesortering, indsamlingssystem, forbehandlingsteknik og bioforgasning har været set under et. Centrale spørgsmål i denne sammenhæng er, hvor meget næringsstof der genanvendes, og hvor meget biogas der kan udvindes af kildesorteret organisk dagrenovation som funktion af det samlede systems indretning. Elementer til besvarelse af disse centrale spørgsmål har indgået i tidligere undersøgelser; men de har ofte været koncentreret om et enkelt biogasanlæg og en enkelt type kildesorteret organisk dagrenovation, ligesom dokumentationen af det samlede systems funktion har været mangelfuld. Et samlet projekt til besvarelse af de centrale spørgsmål blev derfor igangsat med projektet Basisdokumentation for biogaspotentiale i organisk dagrenovation.

4.1 Undersøgelsens formål og indhold

Det overordnede formål med projektet Basisdokumentation for biogaspotentiale i organisk dagrenovation var at etablere den grundliggende dokumentation for, hvor meget næringsstof der genindvindes og hvor meget energi der spares ved bioforgasning af kildesorteret organisk dagrenovation afhængig af, hvilket system der benyttes. Undersøgelsen tog udgangspunkt i eksisterende danske kildesorteringsordninger og fokuserede på den kildesorterede organiske dagrenovation efter indsamling, idet aspekterne omkring indsamlingssystemernes indretning, organiseringen og de indsamlede mængder er belyst i tilknyttede projekter jf. kapitel 2.

4.2 Rapporterede danske data om bioforgasning af kildesorteret organisk dagrenovation

Som indledning til de tekniske undersøgelser af sammensætning og biogaspotentiale af kildesorteret organisk dagrenovation blev der foretaget en sammenfatning af danske erfaringer om mængder af kildesorteret, organisk dagrenovation til bioforgasning. Sammenfatningen er præsenteret i et bilag til rapporten Basisdokumentation for biogaspotentialet i organisk dagrenovation, DTU, Lunds Tekniska Högskola, Rambøll, VA-verket Malmö /8/

Sammenstillingen viser, at der kun er rapporteret driftsdata fra tre anlæg i normal drift, medens øvrige rapporter vedrører korterevarende undersøgelser enten i forsøgsanlæg eller i eksisterende biogasfællesanlæg, der har været drevet med organisk husholdningsaffald i en kortere periode.

De gennemførte undersøgelser viser at der har foregået et betydeligt udviklingsarbejde omkring bioforgasning af dagrenovation i Danmark; men i forbindelse med undersøgelserne har hovedvægten været lagt på teknologiudvikling og -afprøvning således at der kun etableret begrænset dokumentation for biogaspotentialet i organisk affald som funktion af sorteringsvejledninger, forbehandling og procesbetingelser ved bioforgasningen ligesom viden om affaldets betydning for kvaliteten af restprodukterne er begrænset. Der er således ikke rapporteret undersøgelser med behandling af organisk husholdningsaffald i teknisk eller fuld skala, der er planlagt og gennemført således, at de fremkomne data giver en veldokumenteret sikker bestemmelse af det opnåede gasudbytte fra organisk husholdningsaffald.

I undersøgelserne er der anvendt kildesorteret husholdningsaffald fra mange forskellige indsamlingsordninger med betydelige forskelle i indsamlingsvejledninger og kvalitet af det indsamlede materiale. Derudover er der anvendt flere forskellige typer forbehandling af affaldet inden bioforgasningen. Det er ikke er muligt at knytte de opnåede resultater entydigt sammen med kriterierne i affaldsindsamlingen og effekten af forbehandlingsanlægget.

Gasudbytter for kildesorteret organisk dagrenovation må på baggrund af sammenstillingen anses for usikkert bestemt; men skønnes for forbehandlet affald at ligger i området 110-180 Nm³/ton affald med et metanindhold på ca. 65% (70-115 Nm³ CH₄/ton forbehandlet affald), svarende til typisk 100-120 Nm³/ton indsamlet affald. Der findes dog indsamlingsordninger, hvor forbehandlingen resulterer i en meget lille frasorteringen (f.eks. i Grindsted), således at gasudbyttet baseret på det indsamlede affald ikke reduceres væsentligt som følge af forbehandlingen.

I gennemgangen er endvidere medtaget 2 danske laboratorieforsøg udført på organisk husholdningsaffald. Disse undersøgelser viste et biogaspotentiale på 350-550 m³ CH₄/ton omsat affald målt som VS (glødetab).

Den kildesorterede organiske dagrenovation har i stort set alle undersøgelser været bioforgasset med anden biomasse. Det er derfor vanskeligt at bedømme bidraget herfra til den endelige kvalitet af restprodukterne. Fokus har i de fleste undersøgelser været at dokumentere at restprodukterne uden problemer kunne overholde gældende krav til jordbrugsanvendelsen og mindre på bidraget af næringsstoffer fra det forsorterede materiale.

Kravene til restprodukterne fra bioforgasning, der ønskes anvendt i jordbruget, er ændret og skærpet flere gange i de sidste 10 år. Der er således indført grænseværdier for tungmetalindholdet i forhold til fosforindholdet som supplement til de tidligere grænseværdier baseret på forholdet til affaldets tørstofindhold. Der er løbende sket stramninger for en række tungmetaller og stillet krav til nye. Der er indført krav til indholdet af miljøfremmede organiske stoffer og endelig er der flere gange foretaget ændringer af, hvor i processerne kontrollen skal ske, idet fokus er flyttet fra de restprodukter - der anvendes i jordbruget - til sikring af at der ikke i affaldsbehandlingen anvendes råvarer, herunder kildesorteret organisk dagrenovation, med forhøjet indhold af problemstoffer. Ydermere er der sket ændringer i prøvetagningsstedet for kontrollen således at de tidligere undersøgelser kun i mindre omfang kan benyttes til at bedømme om kildesorteret organisk dagrenovation vil kunne overholde de gældende krav.

Der er dog en generel tendens til, at kun affaldets indhold af plastblødgøreren DEHP er så højt at det kan forventes lejlighedsvis at give problemer med overholdelse af dagens krav til jordbrugsanvendelse af restprodukterne.

4.3 Prøvetagning og karakterisering af kildesorteret organisk dagrenovation

Kildesorteret organisk dagrenovation fra fælles og individuelle skraldespande fra kildesorteringsordningerne i Grindsted, Hovedstadsområdet, Kolding, Vejle og Aalborg er over en 11 måneders periode hver to gange blevet behandlet på forskellige forbehandlingsanlæg: neddeling + magnetseparering, rullesigte og skrueseparator. I enkelte tilfælde er den tidsmæssige variation belyst med 6 prøver over perioden. Det forbehandlede affald (biomassen) og rejektet er karakteriseret fysisk og kemisk og metanpotentialet er målt i laboratoriet over 50 døgn. I 14 tilfælde er biomassen blevet bioforgasset på et pilot-biogasanlæg, idet metanudbyttet er bestemt efter stabil drift er opnået. Den afgassede biomasse er endvidere karakteriseret med hensyn til kemisk sammensætning og restmetanpotentiale.

4.4 Sammensætning af kildesorteret organiske dagrenovation

Sammensætningen af det organiske stof (målt som glødetab minus plast) i kildesorteret organisk dagrenovation er vist i figur 4.1 og figur 4.2 viser tilsvarende sammensætningen af tørstof (TS). Hver søjle er fremkommet som et resultat af karakterisering af 4 affaldsprøver, hvor biomasse og rejekt er karakteriseret hver for sig og siden vejet sammen til karakterisering af udgangsmaterialet på baggrund af forbehandlingssystemernes effektivitet.

Figur 4.1
Komponentvis sammensætning af det organiske stofindhold (glødetab-plast) i kildesorteret organisk dagrenovation fra fælles (F) henholdsvis individuelle (I) skraldespande fra Grindsted, Hovedstadsområdet, Kolding, Vejle og Aalborg (fra /8/)

Det organiske stof målt som glødetab minus plast repræsenterer frasorteringen direkte i køkkenet. Selvom der ses mindre forskelle i sammensætningen er der ingen systematiske forskelle mellem affaldet fra fælles og individuelle skraldespande, fra forskellige kildesorteringsordninger eller fra forskellige indsamlingssystemer. Det organiske stof der frasorteres i husholdningerne udviser således ingen systematiske forskelle; men i alle tilfælde er der betydelige variationer i sammensætningen af det organiske stof på den enkelte lokalitet.

Figur 4.2 viser sammensætningen af affaldet efter indsamlingen, hvor altså sorteringsvejledning og indsamlingssystem påvirker sammensætningen.

Her varierer sammensætning mellem de undersøgte geografiske områder betydeligt idet der konstateres store plastmængder i affald fra ordninger, hvor indsamlingen sker i plastposer (Vejle, Kolding og Aalborg), medens plast stort set er fraværende i Grindsted og Hovedstadsområdet, hvor indsamlingen sker i papirposer. Anvendelsen af plastposer i indsamlingen øger indholdet af plast, også udover den plastmængde, der skyldes selve indsamlingsposerne. I enkelte tilfælde har indholdet af plast været meget højt (>10%). Set i forhold til det organiske stof (målt som glødetab minus plast) er der ingen systematiske forskelle mellem affaldet fra fælles og individuelle skraldespande, fra forskellige kildesorteringsordninger eller fra forskellige indsamlingssystemer.

Af figur 4.2 ses desuden et forøget indhold af uorganisk stof (gløderest) i dagrenovationen fra Vejle og Kolding, hvor kattegrus, potteplanter o.l. er inkluderet i den grønne fraktion. Forskellene synes derfor forklarlige udfra forskelle i kildesorteringsvejledning og i valg af indsamlingsposer.

Figur 4.2
Komponentvis sammensætning af tørstofindholdet i kildesorteret organisk dagrenovation fra fælles (F) henholdsvis individuelle (I) skraldespande fra Grindsted, Hovedstadsområdet, Kolding, Vejle og Aalborg (fra /8/)

4.5 Forbehandling

Af forbehandlingsteknologierne udmærker neddeling + magnetseparering sig ved at resulterer i den højeste andel organisk stof til bioforgasning idet rejektets vægt er mindre end 1 %. Neddeling + magnetseparering er dog kun mulig på meget rent kildesorteret organisk dagrenovation og har kun kunnet gennemføres for affald fra Grindsted og Hovedstadsområdet. Til sammenligning giver rullesigte i gennemsnit 34% rejekt og skrueseparatoren 41% målt som vådvægt; men forbehandlingseffektiviteterne varierer betydeligt, med relative standardafvigelser i runde tal på 10-15%.

For rullesigten og skrueseparatoren var der ingen væsentlige forskelle i forbehandlingseffektiviteter mellem fælles og individuelle skraldespande. Signifikante forskelle er observeret for hovedstadsområde affald på rullesigte, idet biomassens andel af indholdet i den kildesorterede organiske dagrenovation her er størst for vådvægt, tørvægt, tørt organisk stof og vand, sammenlignet med affald fra de øvrige geografiske områder og samtlige forbehandlinger på rullesigte og skrueseparator. Det kan skyldes at netop affaldet fra Hovedstadsområdet var det reneste (sammenlignet med affald fra Kolding, Vejle, Aalborg) og rullesigten qua sin funktionsmåde lader mere falde gennem sigten til biomassefraktionen.

I runde tal havner 50-55% af alle komponenter i biomassen ved forbehandling på rullesigte eller skrueseparator. Affald fra Hovedstadsområdet og fra Vejle skiller sig lidt ud, idet rullesigten for en række komponenter massemæssigt fordeler mere til biomassen på rullesigten end på skrueseparatoren, således at rullesigten i lyset af hele spektret af indsamlingssystemer resulterer i større biogasudbytte end skrueseparatoren.

Biomassen fra skrueseparatoren er meget rent om end små plaststumper visuelt kan identificeres. Vægtmæssigt er det meget lidt (skønsmæssigt <0,5%). Rullesigten resulterer i mere plast og større stykker papir i biomassen. Rejektet består for begge forbehandlingers vedkommende primært af organisk stof, oftest 90-98 %. Undtagelsesvist ses usædvanligt store plastmængder i biomassen fra rullesigten. Mængden af fremmedlegemer ud over plast er forsvindende (skønsmæssigt <1%).

4.6 Sammensætning af biomasse og rejekt

Sammensætningen af biomassen for et givet system (geografi, indsamlingssystem, forbehandling) varierer over tid og variationen er forskellig for forskellige parametre. Tabel 4.1 viser biomassens gennemsnitlige sammensætning for de forskellige geografiske områder og forbehandlingsteknologier.

Tabel 4.1
Biomassens sammensætning i gennemsnit for de forskellige geografiske områder og forbehandlingsteknologier (N+M: neddeling + magnetseparering, Rul.: Rullesigte, Skr. : skrueseparator) (fra /8/).

*EFOS er enzymfordøjeligt organisk stof og et mål for enzymnedbrydeligheden af det organisk stof

Den største variation ses for stivelse og sukker, som er let omsættelige komponenter og derfor formentlig også påvirket af affaldets alder og opbevaringstemperatur. Også P og Cl, der begge forekommer i mindre mængder, udviser store variationer. Den relative standardafvigelse er af størrelsen 30-40%. For de øvrige parametre er den tidsmæssige variation væsentlig mindre og for centrale parametre som tørstof, glødetab og enzymfordøjeligt organisk stof (EFOS) kun 3-10%.

Biomassens sammensætning varierer mellem de geografiske områder, idet den konstaterede forskel i askeindhold i den kildesorterede organiske dagrenovation for de forskellige geografiske områder også genfindes i biomassen: Askeindholdet er størst i biomasse fra Kolding og Vejle (15,0-16,7%)og mindst i Hovedstadsområdet (6,5-11,2%) og Grindsted (10,0%) og ikke signifikant påvirket af forbehandlingen. Bortset fra denne forskel i askeindholdet er der hvad angår det geografiske udgangspunkt ikke konstateret signifikante forskelle i sammensætningen af biomassen. Biomassen består typisk af 22-32% tørstof, 83-93% organisk stof (VS), 10-14% fedt, 13-15% protein, 10-16% stivelse, 4-10% sukker og 16-24% træstof. De målte komponenter udgør i snit 80% af det organiske stof, idet resten anses for at være "andre kulhydrater".

De væsentligste forskelle i biomassens sammensætning skyldes forbehandlingen. Forskellen mellem neddeling + magnetseparering og rullesigtning er med hensyn til den resulterende biomasses sammensætning marginal. Den væsentligste forskel findes mellem biomasse fra rullesigte og fra skrueseparator. Generelt kan de siges, at biomasse fra skrueseparator, sammenlignet med biomasse fra rullesigte, indeholder mere vand (relativt 7-20% mindre TS), mere fedt (relativt 10-20% mere), mindre træstof (relativt 22-40% mindre) og mere EFOS.

Det organiske stof i rejektet (ekskl. plast) er overordnet set ikke væsentligt forskellig i sammensætning fra det organiske stof i biomassen; men metanpotentialet på VS-basis er dog i snit 25-40% mindre end potentialet i biomassen

4.7 Metanpotentialet

Kildesorteret organisk dagrenovation fra fælles og individuelle skraldespande fra kildesorteringsordningerne i Grindsted, Hovedstadsområdet, Kolding, Vejle og Aalborg er over en 11 måneders periode hver to gange blevet behandlet på forskellige forbehandlingsanlæg: neddeling + magnetseparering, rullesigte og skrueseparator. Det forbehandlede affald, biomassen og rejektet er karakteriseret fysisk og kemisk og metanpotentialet er målt i laboratoriet over 50 døgn. I 14 tilfælde er biomassen blevet bioforgasset på et pilot-biogasanlæg, idet metanudbyttet er bestemt efter stabil drift er opnået. Den afgassede biomasse er endvidere karakteriseret med hensyn til kemisk sammensætning og restmetanpotentiale.

Komponentsammensætning og grundstofindhold varierer meget lidt i biomasse fra kildesorteret organisk dagrenovation. Beregning af det teoretiske biogaspotentiale bliver i gennemsnit 530 Nm³ CH₄/ton VS baseret på den gennemsnitlige komponentsammensætning af biomassen. Der er en meget lille variationsbredde mellem alle de analyserede biomasser uden signifikante forskelle mellem geografiske områder, fælles og individuelle skraldespande eller forbehandling.

Målinger af metanpotentialet i laboratoriet over 50 døgn viser at det organiske stof i biomassen fra forbehandlet kildesorteret organisk dagrenovation har et stort metanpotentiale på i middel 470 Nm³ CH₄/ton VS. Målingerne udviser nogen variation men der er heller ikke her systematiske forskelle mellem geografiske områder, fælles og individuelle skraldespande eller forbehandlingsteknologien. Metanpotentialer beregnet enten udfra komponentsammensætningen eller ud fra grundstofsammensætningen viser som forventet noget højere værdier end de faktisk målte, men der er ingen korrelation mellem beregnede og målte værdier. Betragtes organisk stof med meget varierende sammensætning, for eksempel rent fedt og rent sukker, er der en klar korrelation mellem beregnede og målte værdier. For biomasse fra forbehandlet organisk dagrenovation er variationen imidlertid så lille at den overskygges af variationen i den biologiske måling af metanpotentialet. Det kan ikke ud fra de gennemførte forsøg afgøres om måling eller beregning giver de mest brugbare estimater på metanpotentialet.

4.8 Realiserbart metanpotentiale: metanudbytte

Metanudbyttet for biomasse fra kildesorteret organisk dagrenovation bestemt for 14 prøver ved bioforgasning i pilot-biogasanlæg varierede i det væsentlige mellem 300-400 Nm³ CH₄/ton VS, med et gennemsnit på 340 Nm³ CH₄/ton VS. Variationen kan heller ikke her henføres til forskelle i geografisk område, fælles og individuelle skraldespande eller til forbehandlingsteknologien. De målte metanudbytter korrelerede ikke med målte biogaspotentialer og heller ikke på brugbar måde med beregnede biogaspotentialer. Metanudbyttet kan derfor bedst og nemmest relateres til VS i biomassen, når det drejer sig om forbehandlet organisk dagrenovation.

Metan udgjorde 59-66% (gennemsnit 62%) af den dannede biogas, hvilket med et metanudbytte på 340 Nm³ CH₄/ton VS svarer til en biogasmængde på 515-575 Nm³/ton VS.

Metanudbyttet svarer til ca. 75-80% omsætning af VS og reflekterer et termofilt biogasanlæg med en opholdstid på ca. 15 døgn. Metanudbyttet er bestemt efter stabil drift er etableret og det er næppe sandsynligt at væsentligt højere metanudbytte kan opnås i fuldskala-anlæg. Den afgassede biomasse har et potentiale for yderligere at danne 40-50 Nm³ CH₄/ton VS oprindeligt tilført pilot-biogasanlægget svarende til yderligere 10-15% metan.

4.9 Restmetan ved efter- og slutlagring af afgasset organisk dagrenovation

Opholdstiden i termofile, kontinuerte biogasreaktorer vil typisk være så kort (ca. 15 dage), at en væsentlig del af affaldets metanpotentiale ikke bliver realiseret. Der er derfor gennemført et projekt til belysning af hvor meget restmetan, der dannes ved efter- og slutlagring af afgasset organisk dagrenovation /10/. I projektet er temperaturforholdene målt i en række lagerbeholdere, mens restmetanproduktionen er analyseret i laboratoriet ved forskellige temperaturer.

I projektet er der gennemført en undersøgelse af restmetanpotentialet ved 7 temperaturer fra 5-55^oC. Ved 55^oC ophører metanproduktionen efter ca. 1500 timer. Ved denne temperatur realiseres ca. 50% af den del af metanpotentialet, der ikke blev udnyttet i pilot-biogasanlægget, hvorfra det afgassede materiale stammede.

Ved 35^oC, der svarer til den temperatur, der findes i lagertankene på biogasanlæg, og 30 dages lagring, vil der i en overdækket lagerbeholder beregningsmæssigt blive produceret metan svarende til en forøgelse af metanudbyttet med godt 5%. Dette metanudbytte er lavt i forhold til den produktion, der i praksis findes på biogasfællesanlæg ved tilsvarende lagring af afgasset gylle. Denne forskel kan skyldes en forskel i omsættelighed og derved omsætningsgrad for VS i affald og i gylle.

Undersøgelsen viser yderligere, at det realiserede restmetanpotentiale er meget afhængig af temperaturen, således at metanproduktionen i praksis er meget lille ved de temperaturer, der findes i de gylletanke, der bruges til lagring af det bioforgassede materiale (< 22 ^oC). I praksis er restmetanproduktionen fra bioforgasset organisk dagrenovation derfor både begrænset af temperaturen i gyllebeholderen og af omsætteligheden af VS.

Metanemissionen fra lagring af afgasset organisk dagrenovation i gyllebeholdere vurderes på baggrund af de gennemførte beregninger at udgøre ca. 8 promille af den metan, der produceres ved bioforgasning af det samme affaldsmængde i biogasreaktoren. Der vil ikke være nogen væsentlig energigevinst forbundet med at opsamle denne metan, men emissionen vil have nogen effekt på systemets drivhusgasbalance. For det samlede biogassystem svarer dette således til, at metanemissionen fra lagring af afgasset affald vil reducere den samlede besparelse på drivhusgasregnskabet med ca. 4%.