Bochum, Universiẗat, Diss., 2004.

Under de senaste 30 åren så har antalet massa- och pappersbruk minskat medan den totala produktionen av massa och papper har ökat. En högre produktion per bruk tillsammans med en hårdare miljölagstiftning, sätter ett högre tryck på vattenreningen på varje bruk. I flera massa- och pappersbruk så är vattenreningen en av faktorerna som begränsar produktionen av massa och papper. Dessutom så renas oftast restvattnet från massa- och pappersbruken med aerob rening som kräver mycket elektricitet och som producerar slam. För att minska kostnaden av vattenreningen och för att öka kapaciteten, så kan en anaerob vattenrening användas före den aeroba reningen. Fördelar med att ha en anaerob rening före den aeroba reningen är att den minskar belastningen av organiskt material på den aeroba reningen, värdefull biogas produceras, anaerob rening producerar mindre slam och kräver mindre elektricitet. Däremot så innehåller restvattnet från massa- och pappersbruk en hög halt av sulfat, vilket har orsakat en instabil biogasproduktion på flera existerande anläggningar. En potentiell lösning på detta är att använda en ytterligare anaerob reaktor före den biogasproducerande reaktorn, med syftet att reducera sulfat. Syftet med detta projekt var att optimera en anaerob två-stegs process för att få en effektiv biogasproduktion och för en stabil process. I projektet har två upp-flöde anaerob packad bädd (UAPB) reaktorer använts. Den första reaktorn var anrikad med sulfatreducerande bakterier före starten av projektet och den andra reaktorn innehöll metanogener. Processvatten från ett massa- och pappersbruk som använder barrträd som råmaterial och gör termomekanisk massa, användes i projektet. Den anaeroba två-stegs processen optimerades genom att minska retentionstiden i båda reaktorerna; genom att undersöka alternativ för att minska sulfidkoncentrationen i inflödet till biogasreaktorn; och genom att minska tillsatsen av näringsämnen till processvattnet. Stabiliteten av två-stegsprocessen mättes genom att analysera sulfat, sulfid och COD innehållet med spektrofotometri; genom att analysera pH; genom att analysera innehållet av metan i biogasen med gaskromatografi; och genom att analysera flyktiga fettsyror i utflödet med högtrycksvätskekromatografi. Resultaten visade att processen var stabil när retentionstiden för den sulfatreducerande reaktorn och biogasreaktorn var 0.3 dagar respektive 1.5 dagar. Effektiviteten av borttagningen av sulfat och COD i den sulfatreducerande reaktorn var 82% respektive 31%. Innehållet av metan i biogasen i den sulfatreducerande reaktorn var 53% i genomsnitt. I biogasreaktorn var borttagningen av COD 32% och metanhalten i biogasen var 31% i genomsnitt. Den totala borttagningen av COD för tvåstegsprocessen var 61%, när reaktorerna var kopplade via en uppsamlingsflaska. Biometanpotentialen i processvattnet och i utflödet från den sulfatreducerande reaktorn var 147 NmL CH4/g VS respektive 47 NmL CH4/g VS. Slutsatsen av projektet är att processen var stabil när retentionstiden för den sulfatreducerande reaktorn och biogasreaktorn var 0.3 dagar respektive 1.5 dagar, motiverat med stabiliteten av borttagning av sulfat och COD. Däremot var metanpotentialen för utflödet från den sulfatreducerande reaktorn bara 32% jämfört med processvattnet och nedbrytbarheten av COD var lägre i utflödet än i processvattnet. Eftersom den sulfatreducerande reaktorn var stabil vid de testade förhållandena så skulle det vara intressant att testa en enstegsprocess i en UAPB reaktorpilot i framtiden. Det skulle även vara intressant att minska retentionstiden i biogasreaktorn för att se om metanhalten i biogasen ökar. / In the past 30 years, the number of P&P mills have decreased while the total production of pulp and paper have increased. A higher production per mill together with a stringent environmental legislation puts a high pressure on the wastewater treatment of P&P mills. In several P&P mills the wastewater treatment is one of the factors limiting the production of pulp and paper. In addition, the wastewater is usually treated with aerobic treatment that consumes a high amount of electricity and produces sludge. To decrease the cost of the wastewater treatment and to increase the treatment efficiency, an anaerobic treatment can be used before the aerobic treatment. Advantages of having an anaerobic treatment before the aerobic treatment is that it reduces the organic loading of the aerobic treatment, valuable biogas is produced, anaerobic treatment produce less sludge and requires less electricity. However, the wastewater of P&P mills is rich in sulphate, which have resulted in an unstable biogas production. A potential solution for this to have another anaerobic reactor before the biogas producing reactor, with the purpose to remove sulphate. The aim of this project was to optimize a two-step anaerobic treatment for an effective biogas production and for a stable process. In the project, two UAPB reactors were used. The first bioreactor (hereafter pretreatment reactor) was enriched with sulphate reducing bacteria before the start of the project while the second reactor contained methanogens (hereafter biogas reactor). Wastewater from a P&P mill using the TMP process and soft wood as raw material was used in this project. The anaerobic two-step process was optimized by decreasing the HRT of both reactors, by investing alternatives to decrease the sulphide in the influent to the biogas reactor and by decreasing the addition of nutrients to the process water. The stability of the two-step process was measured by analysing the sulphate, sulphide and COD content spectrophotometrically; by analysing pH; by analysing the methane content in the headspace of the reactors with GC and by analysing the VFA content in the effluents using HPLC. The results showed that the process was stable when the HRT of the pretreatment reactor and biogas reactor was 0.3 days and 1.5 days, respectively. The removal efficiency of sulphate and COD in the pretreatment reactor was 82% and 31%, respectively. The methane content in the biogas of the PT reactor was 53% in average. The COD removal efficiency of the biogas reactor was 32% and there was in average 31% methane in the biogas. The average total COD removal efficiency of the two-step process was 61% when the reactors were coupled via a collection tank. The biomethane potential of the process water and the effluent of the pretreatment reactor was 147 NmL CH4/g VS and 47 NmL CH4/g VS, respectively. The process was stable when the HRT of the pretreatment reactor and biogas reactor was 0.3 days and 1.5 days, respectively, considering the stability of the sulphate and COD removal efficiency. However, the BMP of the effluent of the PT reactor was only 32% of the BMP of the process water and the degradability of the COD was lower in the effluent. Since the PT reactor exhibited stability at the tested conditions, it would be interesting to try it as a one-step process in a pilot UAPB reactor in the future. In the future, research is needed to investigate if the methane content in the headspace of the biogas reactor can be increased by decreasing the HRT of the reactor.

A new technology for biotechnological treatment of mine waters with both high concentrations of heavy metals and sulphate was developed. The technology is based on the technical coupling of microbially mediated hydrolysis, fermentation and microbial sulphate reduction in a self-stabilising process. Electron donor for sulphate reduction is supplied by degradation of a solid substrate (silage). Elimination of metals is primarily achieved by sulphide precipitation within the sulphate reduction zone. The organic compounds are either supplied by elution or by hydrolysis of polymeric compounds which was named active elution. The concept was realised as a two-phase process with (active) elution in the first phase (R1) and sulphate reduction and metal elimination in the second phase (R2). With this process setup the supply of sufficient amounts of electron donor in R1, a stable and effective sulphate reduction yield as the basis of metal elimination in R2 and a stable separation of microbial processes in R1 and R2 was achieved at hydraulic retention times of 69 h in R1 and 40 h in R2. Almost complete elimination of heavy metals was achieved from wastewaters with 0.2 mM Ni2+, Cu2+, Zn2+, Fe2+ and Mn2. A structurised mathematical model describing the two-phase process was developed on the basis of literature values and tested with data from continuous experiments. Microbial processes were significantly influenced in the presence of precipitated heavy metal sulfides. The effect was dependent on both the bound metal (Ni2+ or Fe2+) and the relative distance between sediment and biomass. / Es wurde eine neuartige Technologie zur biotechnologischen Reinigung von schwermetallbelasteten, sulfathaltigen Bergbauwässern entwickelt. Die Technologie basiert auf der technischen Kopplung von mikrobiell vermittelter Hydrolyse, Fermentation und mikrobieller Sulfatreduktion in einem selbststabilisierenden Prozess, wobei aus Abbau eines festen Substanzgemisches (Silage) Elektronendonor zur Sulfatreduktion bereitgestellt wird. Die Schwermetallelimination erfolgt vorrangig durch sulfidische Fällung, die technisch einstufig mit der mikrobiellen Sulfatreduktion realisiert wurde. Die organischen Verbindungen wurden durch Elution bereitgestellt bzw. durch hydrolytischen Abbau von polymeren Verbindungen. Hierfür wurde der Begriff der ?Aktiven Elution? geprägt. Die Konzeption wurde technisch zweistufig umgesetzt. In der ersten Stufe (R1) erfolgt die (Aktive) Elution, in der zweiten Stufe (R2) erfolgen Sulfatreduktion und Schwermetallelimination. Mit der verfahrenstechnischen Umsetzung wurde die Bereitstellung einer ausreichenden Menge an Elektronendonor in R1, eine effektive und stabile Sulfatreduktionsausbeute als Bedingung der Schwermetallelimination in R2 und eine weitgehende Trennung der mikrobiellen Prozesse in R1 und R2 bei Verweilzeiten von 69 h in R1 und 40 h in R2 erreicht. Bei Behandlung von wässrigen Lösungen mit 0,2 mM Ni2+, Cu2+, Zn2+, Fe2+ und Mn2+ konnte eine nahezu vollständige Elimination der Schwermetalle aus der Lösung erreicht werden. Es wurde ein strukturiertes mathematisches Modell für den zweistufigen Prozess auf der Basis von Literaturangaben entwickelt und anhand der kontinuierlichen Laborversuche überprüft. Es wurde ein erheblicher Einfluss schwermetallsulfidischer Präzipitate auf die mikrobiellen Prozesse festgestellt. Dabei wurde dieser Einfluss in Abhängigkeit von der Art der gebundenen Metallionen (Ni2+ oder/und Fe2+) und in Abhängigkeit der relativen räumlichen Anordnung von Sediment und Biomasse festgestellt.

A new technology for biotechnological treatment of mine waters with both high concentrations of heavy metals and sulphate was developed. The technology is based on the technical coupling of microbially mediated hydrolysis, fermentation and microbial sulphate reduction in a self-stabilising process. Electron donor for sulphate reduction is supplied by degradation of a solid substrate (silage). Elimination of metals is primarily achieved by sulphide precipitation within the sulphate reduction zone. The organic compounds are either supplied by elution or by hydrolysis of polymeric compounds which was named active elution. The concept was realised as a two-phase process with (active) elution in the first phase (R1) and sulphate reduction and metal elimination in the second phase (R2). With this process setup the supply of sufficient amounts of electron donor in R1, a stable and effective sulphate reduction yield as the basis of metal elimination in R2 and a stable separation of microbial processes in R1 and R2 was achieved at hydraulic retention times of 69 h in R1 and 40 h in R2. Almost complete elimination of heavy metals was achieved from wastewaters with 0.2 mM Ni2+, Cu2+, Zn2+, Fe2+ and Mn2. A structurised mathematical model describing the two-phase process was developed on the basis of literature values and tested with data from continuous experiments. Microbial processes were significantly influenced in the presence of precipitated heavy metal sulfides. The effect was dependent on both the bound metal (Ni2+ or Fe2+) and the relative distance between sediment and biomass. / Es wurde eine neuartige Technologie zur biotechnologischen Reinigung von schwermetallbelasteten, sulfathaltigen Bergbauwässern entwickelt. Die Technologie basiert auf der technischen Kopplung von mikrobiell vermittelter Hydrolyse, Fermentation und mikrobieller Sulfatreduktion in einem selbststabilisierenden Prozess, wobei aus Abbau eines festen Substanzgemisches (Silage) Elektronendonor zur Sulfatreduktion bereitgestellt wird. Die Schwermetallelimination erfolgt vorrangig durch sulfidische Fällung, die technisch einstufig mit der mikrobiellen Sulfatreduktion realisiert wurde. Die organischen Verbindungen wurden durch Elution bereitgestellt bzw. durch hydrolytischen Abbau von polymeren Verbindungen. Hierfür wurde der Begriff der ?Aktiven Elution? geprägt. Die Konzeption wurde technisch zweistufig umgesetzt. In der ersten Stufe (R1) erfolgt die (Aktive) Elution, in der zweiten Stufe (R2) erfolgen Sulfatreduktion und Schwermetallelimination. Mit der verfahrenstechnischen Umsetzung wurde die Bereitstellung einer ausreichenden Menge an Elektronendonor in R1, eine effektive und stabile Sulfatreduktionsausbeute als Bedingung der Schwermetallelimination in R2 und eine weitgehende Trennung der mikrobiellen Prozesse in R1 und R2 bei Verweilzeiten von 69 h in R1 und 40 h in R2 erreicht. Bei Behandlung von wässrigen Lösungen mit 0,2 mM Ni2+, Cu2+, Zn2+, Fe2+ und Mn2+ konnte eine nahezu vollständige Elimination der Schwermetalle aus der Lösung erreicht werden. Es wurde ein strukturiertes mathematisches Modell für den zweistufigen Prozess auf der Basis von Literaturangaben entwickelt und anhand der kontinuierlichen Laborversuche überprüft. Es wurde ein erheblicher Einfluss schwermetallsulfidischer Präzipitate auf die mikrobiellen Prozesse festgestellt. Dabei wurde dieser Einfluss in Abhängigkeit von der Art der gebundenen Metallionen (Ni2+ oder/und Fe2+) und in Abhängigkeit der relativen räumlichen Anordnung von Sediment und Biomasse festgestellt.

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