Inhibice procesu anaerobní fermentace nedostatkem vybraných chemických prvků

Bc. Markéta Pápayová

Master's thesis

The Inhibition of the Anaerobic Digestion Process by the Lack of Selected Elements

Abstract:

Anaerobní fermentace je proces, který je využíván k přeměně biologicky degradovatelného substrátu na energeticky bohatý bioplyn. Proces tvorby bioplynu je limitován mnoha faktory, mezi které patří například teplota, hodnota pH, koncentrace nižších mastných kyselin, přítomnost inhibičních látek či zastoupení živin a stopových prvků. Cílem diplomové práce bylo ověřit a kvantifikovat inhibiční vliv nedostatku vybraných chemických prvků na průběh anaerobní fermentace v bioplynových stanicích zpracovávajících pro výrobu bioplynu pouze velmi omezený okruh substrátů. Pozornost byla věnována především molybdenu, manganu, kobaltu a selenu. Základní hypotézou práce byl předpoklad, že nízký obsah, případně úplná absence vybraných prvků, jež zaujímají funkci mikroživin pro mikroorganismy zodpovědné za proces anaerobní fermentace, povede k podstatnému zpomalení procesu a taktéž bude mít vliv na produkci bioplynu. Byly provedeny jednorázové kinetické testy produkce bioplynu v podmínkách s přídavkem různých kombinací řešených prvků. Množství dávkovaných prvků bylo zvoleno tak, aby se výsledná koncentrace prvků pohybovala přibližně 1,5 mg/kg sušiny selenu, 2 mg/kg sušiny molybdenu, 50 mg/kg sušiny manganu a 3 mg/kg sušiny v případě kobaltu. V rámci testů bylo využito inokulum pocházející z v praxi provozovaného anaerobního reaktoru, u kterého existuje předpoklad nedostatku těchto živin. Výsledky pak byly porovnány s testem provedeným s inokulem získaným v biologickém reaktoru stabilně fungující bioplynové stanice (BPS). Z kumulativní produkce bioplynu stanovené v rámci těchto testů a ze zastoupení metanu v bioplynu bylo zjištěno, že pro stabilní průběh anaerobní fermentace je nejvhodnějším řešením dávkování prvků v různých kombinacích. Individuální suplementace prvku neměla význam. Jako nejvhodnější byla zvolena kombinace molybdenu, manganu a kobaltu. Za těchto podmínek bylo dosaženo nejvyšší produkce bioplynu a v něm zastoupeném metanu. V nejlépe hodnocené variantě bylo dosaženo dokonce o 11 % vyšší hodnoty produkce bioplynu než ve variantě s inokulem odebraným v reaktoru stabilně fungující BPS. Obsah metanu v bioplynu se pohyboval v rozmezí 80–90 %, čímž se také dostal na vyšší hodnoty než v případě inokula ze stabilně fungující BPS.

Abstract:

Anaerobic fermentation is a process used for conversion of biologically degradable substrate into energy-rich biogas. The process of production of the biogas is limited by many factors, including for example temperature, pH value, concentration of volatile fatty acids, presence of inhibitory substances or nutrients and trace elements. The purpose of the diploma thesis was to verify and quantify the inhibitory effect of deficiency of selected chemical elements onto the course of anaerobic fermentation in biogas stations processing only limited number of substrates for biogas production. The chemical elements taken into consideration were primarily Molybdenum, Manganese, Cobalt and Selenium. The main hypothesis was an assumption that either a low concentration or a definite absence of selected chemical elements (functioning as micronutrients for organisms responsible for the process of anaerobic fermentation) would lead to a significant deceleration of the process of anaerobic fermentation and effect the production of biogas. Batch tests of biogas production in various conditions with the addition of different combination of said chemical elements were performed. The doses of the elements in the analyses were chosen to ensure the final concentration of elements to be approximately 1,5 mg/kg dry matter of Selenium, 2 mg/kg dry matter of Molybdenum, 50 mg/kg dry matter of Manganese and 3 mg/kg dry matter of Cobalt. An inoculum from a functioning anaerobic reactor with presumed lack of said nutrients was used within the analyses. These results were compared with results of analyses with an inoculum from a biological reactor of a stable biogas station. It was determined from a cumulative biogas production within the range of these analyses and from a presence of methane in biogas, that to ensure a stable process of anaerobic fermentation it is most effective to use doses of chemical elements in various combinations. An individual supplementation of the element was of no significance. The combination of Molybdenum, Manganese and Cobalt was determined to be the most sufficient; the highest production of biogas and methane in the gas was achieved under these conditions. In the most successful variant, it was achieved up to 11 % more biogas production than in the variant with an inoculum from a biological reactor of a stable biogas station. The volume of methane in the biogas was in a range of 80─90 %, which was also more than in the variant with an inoculum from a biological reactor of a stable biogas station.

Keywords

bioplynové stanice, inhibice, mikroživiny, výroba boiplynu, jednorázové kinetické testy

Keywords

biogas production, biogas station, inhibition, micronutrients, single batch tests

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 12. 4. 2019

Thesis defence

• Supervisor: Ing. Pavel Švehla, Ph.D.

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Agrobiology, Food and Natural Resources

Master programme / field:
Waste Technology / Technology, Processing and Utilization of Waste