Kationen-IC

De concentraties kationen (Na+_{, NH4}+_{, K}+_{, Ca}2+ _{en Mg}2+_{) werden voor elk slib- en digestaatstaal in} drievoud bepaald. De analyse van deze kationen werd uitgevoerd m.b.v. ionenuitwisseling chromatografie (IC). Hiervoor werd 10 mL staal gecentrifugeerd (Thermo Science, Sorval RC6+ Centrifuge, Waltham, Amerika) bij 17090 g gedurende 10 min. Het supernatans werd vervolgens gefilterd over een 0.20 µm filter. De slibstalen werden 20x verdund, de digestaatstalen 40x. De verdunning gebeurde met vers milli-Q water. De kationen IC had een detectierange van 2-100 mg/L. De stalen werden vervolgens geanalyseerd met een 761 Compact Ion Chromatograaf (Metrohm, Zwitserland) uitgerust met een conductiviteitsdetector.

3.7. Gassamenstelling via GC

De samenstelling van het geproduceerde biogas werd bepaald op het einde van het vergistingsproces, bij het afsluiten van de BMP test. De concentratie aan CH4, H2, CO2 en H2S in het geproduceerde biogas werd geanalyseerd met een Compact GC (Global Analyser Solutions, Breda, Nederland). De analyse van deze componenten werd uitgevoerd aan de hand van drie methodes. De eerste methode mat simultaan O2, N2, CH4 en H2. De tweede methode kwantificeerde CO2 en N2O. De laatste methode analyseerde H2S. Per staal werd een 10mL spuit gevuld en afgesloten met een tweewegkraan. Voor elke methode werd ongeveer 3mL gas in de compact GC geïnjecteerd. De Compact GC was voorzien van twee kanalen, elk met een eigen thermische conductiviteitsdetector (TCD). Op het kanaal met draaggas N2, werd H2 gemeten. Op het andere kanaal, met draaggas He, werden de andere gassen gemeten. De GC was uitgerust met een Molsieve 5A prekolom en een Porabond kolom (CH4, O2, H2 en N2) en een RT-Q-bond prekolom en kolom (CO2, N2O en H2S). De concentraties CH4 en CO2 werden bepaald met een TCD met een onderste detectielimiet van 100 ppmv voor elke gascomponent.

3.8. Statistische dataverwerking

3.8.1. Triplicaten en standaardfout

Alle chemische analyses (TS, VS, COD, pH, conductiviteit, VFA en kationen IC) werden in drievoud uitgevoerd (technische replicaten). Ook in de BMP test werden de stalen en negatieve controles in drievoud uitgevoerd (biologische replicaten). De bepaling van de samenstelling van het biogas met GC, werd slechts eenmaal geanalyseerd. In de BMP test weren immers al biologische triplicaten gebruikt, met uitzondering van de positieve controle.

Voor alle triplicaten werd de standaardfout gerapporteerd en niet de standaarddeviatie. In dit onderzoek was de precisie van het gemiddelde belangrijk. Het doel was immers om verschillen tussen de gemiddeldes te vergelijken en niet de variabiliteit in de data zelf weer te geven.

3.8.2. Statistische testen

Om de resultaten van de karakterisatie van het winterslib en zomerslib met elkaar te vergelijken werden statistische testen uitgevoerd in R. Om een parametrische test uit te mogen voeren, moest eerst aan enkele voorwaarden voldaan worden. De observaties moeten onafhankelijk van elkaar zijn, normaal verdeeld zijn en homoscedastisch (homogeniteit van variantie) zijn. De eerste voorwaarde was reeds voldaan, de tweede en laatste voorwaarde werden respectievelijk getest met de Shapiro- Wilk test en de Levene’s test. Indien aan deze voorwaarden voldaan is, i.e., de nulhypothese van beide testen werd niet verworpen op het α=0.05 significantieniveau, dan werd de parametrische tweezijdige gepaarde T-test uitgevoerd. Indien aan één of meerdere voorwaarden niet voldaan was, werd de niet parametrische variant, nl. de Mann-Whitney U-test gebruikt.

De correlatie tussen verschillende parameters van de karakterisatie van het slib en/of het digestaat en de totale biogasproductie werd geanalyseerd in R. Om de Pearson correlatie test uit te voeren, moet de data normaal verdeeld zijn (Shapiro-Wilk test) en onafhankelijk zijn (reeds voldaan). Indien de data niet normaal verdeeld is, kan de niet parametrische Spearman’s Rank test uitgevoerd worden.

4. Scenarioanalyse

Voor de scenario analyse werden op basis van de literatuur enkele scenario’s geselecteerd die het energie recuperatie potentieel van de RWZI zouden kunnen verbeteren. Voor alle scenario’s werd op basis van data uit de literatuur en experimentele waarden uit deze masterproef berekend hoeveel elektrische energie moest geïnvesteerd worden in het proces en hoeveel elektrische energie kon gerecupereerd worden. In alle scenario’s werd energie gerecupereerd door valorisatie van het tijdens anaerobe vergisting geproduceerde biogas in een WKK. Het resultaat van deze energiebalans werd telkens uitgedrukt in kWh/IE/j. Scenario’s 2 t.e.m. 4 werden vergeleken met de huidige toestand, die ter vergelijking uitgerekend werd in scenario 1a.

Volgende assumpties en data werden bij het berekenen van verschillende scenario’s gebruikt. Alle scenario’s beschouwden RWZI’s die het afvalwater van 50 000 IE behandelen. Gemiddeld is elk inwonersequivalent verantwoordelijk voor afvalwater met volgende karakteristieken 150 L/IE/d, 90 g zwevende stof/IE/d, 135 gCOD/IE/d, 60 gBOD/IE/d, 10 gN/IE/d, 2 gP/IE/D (Aquafin NV, 2020). De COD uit het afvalwater werd omgezet naar biomassa met een aerobe slib conversie coëfficiënt van 0.5 gVS/gCOD (Burton et al., 2014). De aerobe CAS RWZI had een elektriciteitsverbruik van gemiddeld 42 kWh/IE/j (Vaccari et al., 2018).

Het ingaande slib van de vergister had in de winter een temperatuur van 10°C en in de zomer een temperatuur van 21°C, vooraleer het voorverwarmd werd (Bramstedt, 2015; Qasim, 1999). Het ingaande slib had een VS-gehalte van 40 g/L (experimentele waarde). Slib had dezelfde warmtecapaciteit als water, nl. 4200 J/kg/K (Burton et al., 2014). Er werd verondersteld dat het warmteverlies van de vergister aan de omgeving 5% van de totale warmtevraag van de vergister bedroeg (Qasim, 1999). Het geproduceerde biogas en de methaanproductie werden steeds weergegeven bij 101325 Pa en 273 K (STP). De onderste verbrandingswaarde (lower heating value, LHV) van methaan bedroeg 35.8 MJ/m³ bij STP (Burton et al., 2014). Het geproduceerde biogas werd gevaloriseerd in een WKK met een elektrische efficiëntie van 40 % (ηelektr) en een thermische efficiëntie van 42 % (ηtherm) (De Vrieze et al., 2016a). De verwerking van het digestaat en het overtollige slib viel buiten het bereik van deze scenarioanalyse.

In scenario 1a en 2 werd een onderscheid gemaakt tussen winter en zomer voor de energiebalans van het elektriciteitsverbruik en de warmtebalans. Dit gebeurde op basis van data uit de BMP experimenten uitgevoerd in deze masterproef. Voor alle andere scenario’s werd door een gebrek aan data over seizoenale variaties van de methaanproductie enkel de warmtebalans voor zowel winter als zomer berekend. De vergister had immers een verschillende warmtevraag in zomer en winter door seizoenale variaties van de temperatuur van het ingaande slib (Bramstedt, 2015).