Jäätelöteollisuuden jätevesien potentiaali biokaasun syötteenä
Heikkinen, Katja (2024)
2024
All rights reserved. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-2024060420812
https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-2024060420812
Tiivistelmä
Tämän opinnäytetyön tavoitteena oli selvittää jäätelöteollisuuden jätevesien potentiaalia biokaasun syötteenä. Opinnäytetyö toteutettiin Hämeen ammattikorkeakoulun Bio-tutkimusyksikön koordinoimalle Teollisuusvesistä biokaasua ja arvokomponentteja- (Vesitar-) hankkeelle. Hankkeen tavoitteena oli löytää erilaisille teollisuusvesille soveltuvia kiertotaloutta edistäviä resurssiviisaita ja kustannustehokkaita käsittelymenetelmiä yhteistyöyritysten tarpeisiin. Vesitar-hanketta rahoittivat Euroopan aluekehitysrahasto (EAKR) sekä hankkeen kohderyhmään kuuluvat yhteistyöyritykset.
Opinnäytetyössä suunniteltiin ja toteutettiin Froneri Finland Oy:n Turengin jäätelötehtaan jätevesille laboratoriomittakaavan koe korkeakuormitteisilla bioreaktoreilla. Kokeella tutkittiin jäätelöteollisuuden jätevesien potentiaalia biokaasun tuotannon syötteenä. Tuloksien pohjalta selvitettiin jätevesien reaktorikäsittelyllä saavutettavaa metaanituottoa ja orgaanisen aineen poistotehoa. Lisäksi työssä arvioitiin jätevesien soveltuvuutta teollisuusmittakaavassa tuotetun biokaasun syötteenä ja käsittelyllä saavutettavaa energiantuottoa. Jäteveden rinnalla testattiin myös jäätelöteollisuuden sivuvirtavettä, mutta jätehierarkian mukaan sen arvokkaampi hyödynnys tapahtuu rehukäytössä ja ensisijaisesti tässä työssä tarkasteltiin jätevedellä saavutettuja tuloksia.
Laboratoriomittakaavan korkeakuormitteisilla reaktoreilla suoritetun kokeen tulosten perusteella jäätelöteollisuuden jätevedet todettiin olevan hyvin potentiaalisia syötteitä biokaasun tuottamiseen myös teollisuusmittakaavassa, edellyttäen kuitenkin huolellista prosessisuunnittelua ja laitteistojen valintaa sekä taloudellisen kannattavuuden lisäselvitystä. Kokeella osoitettiin, että korkeakuormitteisella reaktorilla pystytään poistamaan jäätelöteollisuuden jätevesistä yli 80 % syötetystä orgaanisesta aineksesta ja saavuttamaan kirjallisuudessa esitetty metaanituotto 0,1–0,3 m3 metaania (CH4) syötettyä COD kiloa kohti. Jäätelöteollisuuden jätevesien rasvaisuuden havaittiin kuitenkin aiheuttava haasteita koereaktoreille ilman esikäsittelyä. Koereaktoreiden kuormituksessa päästiin kuitenkin kirjallisuudessa esitetylle teollisuusmittakaavan kuormitusalueelle mutta ei erityisen korkealle tasolle. Rasvapitoiset syötteet ovat biokaasutuotannon kannalta hyviä, mutta niiden erityispiirteet tulee huomioida prosessin suunnitellussa. Teollisuusmittakaavan korkeakuormitteista reaktorikäsittelyä suunniteltaessa on huomioitava myös, että jätevesien COD-pitoisuus on riittävän korkea ja tasattavissa ennen reaktoriin syöttämistä. Vesien rasvaisuuteen perustuen esikäsittelyn tarve ennen reaktoria on kokeen perusteella ilmeinen. The aim of this thesis was to investigate the potential of wastewater from the ice cream industry as a biogas feedstock. The thesis was implemented for the Industrial Water Biogas and Valuable Components (Vesitar) project coordinated by the Bio Research Unit of Häme University of Applied Sciences (HAMK). The aim of the project was to find resource-wise and cost-effective treatment methods suitable for different industrial waters that promote the circular economy for the needs of partner companies. The Vesitar project was funded by the European Regional Development Fund (ERDF) and the partner companies in the project's target group.
In the thesis, a laboratory-scale test with high-load test reactors was designed and implemented for the wastewater of Froneri Finland Oy's ice cream factory in Turenki. The experiment investigated the potential of ice cream industry wastewater as biogas feedstock and produced results on methane yield and organic matter removal efficiency achieved by wastewater reactor treatment. In addition, the suitability of wastewater as a feedstock for industrial-scale biogas and the energy production achieved by processing it were assessed. In addition to wastewater, side stream water from the ice cream industry was also tested, but according to the waste hierarchy, its more valuable utilization takes place in feed use, and the results achieved with wastewater were primarily examined in this work.
Based on the results of an experiment carried out with laboratory-scale high-rate reactors, wastewater from the ice cream industry was found to be a very potential feedstock for biogas production also on an industrial scale, subject to careful process design and equipment selection, as well as further study of economic viability. The experiment showed that a high-load reactor can remove more than 80 % of the injected organic matter from the ice cream industry's wastewater and achieve a methane yield of 0.1–0.3 m3 methane (CH4) per kilogram of COD injected, as presented in the literature. However, the grease of wastewater from the ice cream industry was found to pose challenges to test reactors without pretreatment. However, the load on the experimental reactors reached the industrial-scale load range presented in the literature, but not at a particularly high level. Fat-rich feedstocks are good for biogas production, but their special characteristics must be considered when planning the process. When planning industrial-scale high-rate reactor treatment, it must also be considered that the COD content of wastewater is sufficiently high and can be levelled before feeding into the reactor. Based on the oiliness of the waters, the need for pre-treatment before the reactor is evident based on the test.
Opinnäytetyössä suunniteltiin ja toteutettiin Froneri Finland Oy:n Turengin jäätelötehtaan jätevesille laboratoriomittakaavan koe korkeakuormitteisilla bioreaktoreilla. Kokeella tutkittiin jäätelöteollisuuden jätevesien potentiaalia biokaasun tuotannon syötteenä. Tuloksien pohjalta selvitettiin jätevesien reaktorikäsittelyllä saavutettavaa metaanituottoa ja orgaanisen aineen poistotehoa. Lisäksi työssä arvioitiin jätevesien soveltuvuutta teollisuusmittakaavassa tuotetun biokaasun syötteenä ja käsittelyllä saavutettavaa energiantuottoa. Jäteveden rinnalla testattiin myös jäätelöteollisuuden sivuvirtavettä, mutta jätehierarkian mukaan sen arvokkaampi hyödynnys tapahtuu rehukäytössä ja ensisijaisesti tässä työssä tarkasteltiin jätevedellä saavutettuja tuloksia.
Laboratoriomittakaavan korkeakuormitteisilla reaktoreilla suoritetun kokeen tulosten perusteella jäätelöteollisuuden jätevedet todettiin olevan hyvin potentiaalisia syötteitä biokaasun tuottamiseen myös teollisuusmittakaavassa, edellyttäen kuitenkin huolellista prosessisuunnittelua ja laitteistojen valintaa sekä taloudellisen kannattavuuden lisäselvitystä. Kokeella osoitettiin, että korkeakuormitteisella reaktorilla pystytään poistamaan jäätelöteollisuuden jätevesistä yli 80 % syötetystä orgaanisesta aineksesta ja saavuttamaan kirjallisuudessa esitetty metaanituotto 0,1–0,3 m3 metaania (CH4) syötettyä COD kiloa kohti. Jäätelöteollisuuden jätevesien rasvaisuuden havaittiin kuitenkin aiheuttava haasteita koereaktoreille ilman esikäsittelyä. Koereaktoreiden kuormituksessa päästiin kuitenkin kirjallisuudessa esitetylle teollisuusmittakaavan kuormitusalueelle mutta ei erityisen korkealle tasolle. Rasvapitoiset syötteet ovat biokaasutuotannon kannalta hyviä, mutta niiden erityispiirteet tulee huomioida prosessin suunnitellussa. Teollisuusmittakaavan korkeakuormitteista reaktorikäsittelyä suunniteltaessa on huomioitava myös, että jätevesien COD-pitoisuus on riittävän korkea ja tasattavissa ennen reaktoriin syöttämistä. Vesien rasvaisuuteen perustuen esikäsittelyn tarve ennen reaktoria on kokeen perusteella ilmeinen.
In the thesis, a laboratory-scale test with high-load test reactors was designed and implemented for the wastewater of Froneri Finland Oy's ice cream factory in Turenki. The experiment investigated the potential of ice cream industry wastewater as biogas feedstock and produced results on methane yield and organic matter removal efficiency achieved by wastewater reactor treatment. In addition, the suitability of wastewater as a feedstock for industrial-scale biogas and the energy production achieved by processing it were assessed. In addition to wastewater, side stream water from the ice cream industry was also tested, but according to the waste hierarchy, its more valuable utilization takes place in feed use, and the results achieved with wastewater were primarily examined in this work.
Based on the results of an experiment carried out with laboratory-scale high-rate reactors, wastewater from the ice cream industry was found to be a very potential feedstock for biogas production also on an industrial scale, subject to careful process design and equipment selection, as well as further study of economic viability. The experiment showed that a high-load reactor can remove more than 80 % of the injected organic matter from the ice cream industry's wastewater and achieve a methane yield of 0.1–0.3 m3 methane (CH4) per kilogram of COD injected, as presented in the literature. However, the grease of wastewater from the ice cream industry was found to pose challenges to test reactors without pretreatment. However, the load on the experimental reactors reached the industrial-scale load range presented in the literature, but not at a particularly high level. Fat-rich feedstocks are good for biogas production, but their special characteristics must be considered when planning the process. When planning industrial-scale high-rate reactor treatment, it must also be considered that the COD content of wastewater is sufficiently high and can be levelled before feeding into the reactor. Based on the oiliness of the waters, the need for pre-treatment before the reactor is evident based on the test.