Zpracování fugátu v soustavě stripování amoniaku - nitrifikace

Bc. Zuzana Vondrášková

Master's thesis

Liquid Phase of Digestate Treatment Using Stripping of Ammonia - Nitrification System

Abstract:

Cílem diplomové práce bylo vyhodnotit možnosti aplikace postupu založeného na stripování amoniaku a následné biologické nitrifikaci jakožto metody pro zpracování fugátu vznikajícího při provozu zemědělských bioplynových stanic. Na pracovišti KAVR ČZU probíhá dlouhodobý výzkum v oblasti aplikace metody nitrifikace fugátu, přičemž jednou z možností snížení spotřeby kyslíku v nitrifikačním reaktoru je snížení množství dusíku, které vstupuje do procesu nitrifikace. Za tímto účelem se nabízí separace části dusíku stripováním amoniaku. Tato varianta by navíc mohla vést k minimalizaci spotřeby neutralizačního činidla využívaného ke kompenzaci poklesu pH v důsledku průběhu nitrifikačního procesu. V rámci diplomové práce byly prezentovány výsledky zpracování fugátu ve dvou laboratorních modelech. Jeden z těchto modelů simuluje zpracování fugátu vsoustavě stripování amoniaku-nitrifikace, druhý je provozován na bázi nitrifikace fugátu bez jeho předúpravy stripováním. Výsledky ukázaly výhody v soustavě předřazeného stripování s následnou nitrifikací vesrovnání svariantou, kde probíhala pouze nitrifikace spočívající ve snížení spotřeby alkalického činidla o 60,2 % a v poklesu nároků na provzdušňování při nitrifikaci. Obsah N‐amon ve stripovaném fugátu poklesl ve srovnání se surovým fugátem o 45,8 %. Účinnost odstranění N-amon v nitrifikačním reaktoru, kde probíhalo předřazené stripování, byla 99,7 % a z toho podíl N-NO3- mezi produkty nitrifikace činil 99,8 %. Dále výsledky ukázaly stabilitu nitrifikačního procesu při navyšování zatížení v nitrifikačním reaktoru, u kterého bylo předřazené stripování. V reaktoru zpracovávajícím fugát, který nebyl podrobený předřazenému stripování, začala klesat účinnost odstranění N-amon při zatížení N-amon 355 mg/l×den. Účinnost odstranění N-amon klesla až na 52,9 % při zatížení N-amon 426 mg/l×den. Naopak v reaktoru zpracovávajícím fugát, který byl podrobený předřazenému stripování, začala klesat účinnost odstranění N-amon při zatížení 426 mg/l×den. Ale i za těchto podmínek účinnost odstranění dosahovala 98,3 %. Změnilo se i zastoupení produktů nitrifikace. Zastoupení N‐NO3- klesla na 26,1 %, přičemž zastoupení N-NO2- se zvýšilo na 73,9 % v reaktoru, ve kterém byl zpracováván fugát, který nebyl podroben stripování. Naopak v reaktoru zpracovávajícím fugát, který byl podroben stripování, zastoupení N-NO3- zůstalo na 99,8 %. V obou reaktorech byly zaznamenány excelentní výsledky nitrifikace. Nicméně, reaktor M2, ve kterém docházelo ke zpracování fugátu předupraveného stripováním, se projevil jako efektivnější varianta. Z výzkumu vyplývá, že předřazené stripování může přinést úspory provozních nákladů při nitrifikaci fugátu a zajištuje větší stabilitu při navyšování zatížení nitrifikačního reaktoru, ačkoli počáteční investice do zařízení na stripování fugátu a následné nitrifikace by byla vyšší. Na základě dosavadních výsledků lze předpokládat, že varianta s předřazeným stripováním by mohla představovat efektivnější, úspornější a ekologičtější řešení ve srovnání s nitrifikací surového fugátu.

Abstract:

The aim of the thesis was to evaluate the potential of the ammonia stripping followed by biological nitrification method as a method of processing the effluent generated during the operation of agricultural biogas stations which is called liquid phase of digestate (LPD). Long‐term research related to the application of the nitrification method for LPOD treatment has been conducted at KAVR CZU. One of the possibilities to reduce oxygen consumption in the nitrification reactor treating the LPD is to reduce the amount of nitrogen entering the nitrification process, which can be achieved by separating a portion of nitrogen through ammonia stripping. Additionally, this variant could lead to a reduction in the consumption of neutralizing agents used to compensate the pH drop caused by the nitrification process. The thesis presents the results of processing the LPD in two laboratory models. One of these models simulates the processing of the LPD in the ammonia stripping-nitrification system, while the other is operated based on LPD nitrification without its prior treatment by stripping. The results showed the advantages of the ammonia stripping system followed by nitrification compared to the variant where only nitrification occurred. This included a 60.2% reduction in the consumption of alkaline agents as well as a decrease in the demand for aeration during nitrification. The total ammonia nitrogen (TAN, the sum of N-NH4+ and N-NH3) content in the stripped effluent decreased by 45.8%. The removal efficiency of TAN in the reactor, where ammonia stripping was conducted, was 99.7%, and the share of nitrification products N‐NO3- was 99.8%. Furthermore, the results showed the stability of the nitrification process when increasing the nitrogen loading rate (NLR) in the nitrification reactor with prior ammonia stripping. In the reactor that was not subjected to prior ammonia stripping, the efficiency of TAN removal began to decrease at a NLR of 355 mg/l.day, with an efficiency of TAN removal falling to 52.9% at a NLR of 426 mg/l.day. In the reactor that was subjected to prior ammonia stripping, the efficiency of TAN removal began to decrease at a NLR of 426 mg/l.day, but, in contrast, the efficiency of removal only dropped insignificantly, to 98.3%. Also, in the reactor that was not subject to prior stripping, was detected a change in the representation of nitrification products. The representation of N-NO3- decreased to 26.1%, while the representation of N-NO2- increased to 73.9%. In contrast, in the reactor that was subjected to stripping, the representation of N-NO3- remained at 99.8%. Both reactors showed excellent nitrification results. Nevertheless, reactor M2 treating stripped LPD proved to be the more efficient option. The research shows that prior ammonia stripping can bring operational cost savings during LPD nitrification and provides greater stability when increasing the NLR of the nitrification reactor, although the initial investment in the LPD stripping and subsequent nitrification equipment would be higher. Based on the presented results, it can be assumed that the option of prior stripping followed by nitrification is a viable and beneficial option for LPD processing in agricultural biogas stations.

Keywords

FUGÁT, NITRIFIKACE, DUSÍK, STRIPOVÁNÍ AMONIAKU, ŽIVINY

Keywords

NITROGEN, DIGESTATE, NITRIFICATION, AMMONIA STRIPPING, NUTRIENT

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 17. 4. 2023

Thesis defence

• Date of defence: 16. 5. 2023
• Supervisor: Ing. Pavel Švehla, Ph.D.
• Reader: Iva Dvořáková, externi

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Agrobiology, Food and Natural Resources

Master programme:
Waste Technology