Identifikace optimálních podmínek pro poloprovozní nitrifikační reaktor zpracovávající fugát

Bc. František Humpál

Master's thesis

Identification of Optimal Conditions for the Operation of Pilot Plant Nitrification Reactor for the Treatment of the Liquid Phase of Digestate

Abstract:

Tato diplomová práce se zabývá možností uplatnění biologického procesu nitrifikace jako možné úpravy kapalné frakce fermentačního zbytku z bioplynové stanice, tedy fugátu. Fugát je používán jako hnojivo bohaté na dusík. Avšak dusík se ve fermentačním zbytku vyskytuje především ve formě N-amon. Tato forma dusíku je poněkud nestálá a snadno těká do ovzduší, právě nitrifikace dokáže tuto formu převést na dusičnany, které jsou charakteristické daleko větší stabilitou a nedochází tedy ke ztrátám této důležité živiny. V práci jsou posuzovány faktory, které efektivitu nitrifikace pozitivně či negativně ovlivňují. Bylo využito celkem tří nitrifikačních reaktorů – reaktor M1, reaktor M2 a poloprovozní reaktor. Reaktory M1 a M2 jsou laboratorní reaktory, na kterých bylo zjišťováno, při jak nízké hodnotě pH a při jakém maximálním zatížení systému amoniakálním dusíkem lze stále dosáhnout efektivní nitrifikaci. Poznatky z laboratorních modelů byly poté uplatněny při zavádění poloprovozního reaktoru umístěného přímo v areálu bioplynové stanice Červené Janovice. Z této zemědělské bioplynové stanice pochází také substrát pro výše zmíněné reaktory.Laboratorní modely o objemu 5 l byly provozovány po dobu 387 dní. Model M1 sloužil k ověření, zda nitrifikace může probíhat i při hodnotách pH nižších než 5. Po postupném snižování nastavené hodnoty pH se podařilo dosáhnout účinné nitrifikace při hodnotě pH 4,5. Model M2 sloužil k nalezení maximálního zatížení systému dusíkem. Původním cílem bylo dosáhnout 80 % konverze N-amon při zatížení 0,5 kg N-amon/m3/den. Tento cíl byl nejen úspěšně splněn, ale podařilo se zatížení navýšit o dalších 20 %.Na základě poznatků z laboratorních modelů byl sestaven a provozován poloprovozní model o objemu 1 000 l. Zde již byla snaha zajistit nitrifikaci a spojit požadavky jak na hodnotu pH, tak na nejvyšší možné zatížení. Přestože nebylo prvotní uvedení do provozu zcela úspěšné, neboť docházelo k hromadění dusitanového dusíku, podařilo se po druhé inokulaci reaktor stabilizovat a ke konci pokusu (206 dní) bylo dosaženo nitrifikace při hodnotě pH 5,0 a zatížení 0,06 kg N-amon/m3/den. Při těchto podmínkách se podařilo dosáhnout 99% účinnosti převedení N-amon s 99% zastoupením dusičnanového dusíku mezi produkty nitrifikace.

Abstract:

The aim of this diploma thesis was to use the biological process of nitrification as a possible treatment method for the liquid phase of digestate from the biogas plant - liquid phase of digestete (LPD). is used as a nitrogen-rich fertilizer. However, majority of nitrogen in the LPD occurs in a form of total ammonia nitrogen (TAN; the sum of N-NH4+ and N-NH3). This form of nitrogen is highly unstable and easily volatizes into the atmosphere. The process of nitrification allows this form to be converted to nitrate, which is much more stable and therefore the reduction of the loss of important nutrient could be achieved. The thesis idetifies the factors that affect nitrification either positively or negatively. Three nitrification reactors were used - reactor M1, reactor M2 and pilot plant reactor. The laboratory reactors M1 and M2 were used to identify the maximum achievable nitrogen loading rate and minimum acceptable value of pH at which the nitrification process is still effective. Findings from laboratory models were applied to the pilot plant reactor, located at biogas plant Červené Janovice. The source of the substrate for the above-mentioned reactors comes from this agricultural biogas plant.Laboratory models with a volume of 5 l were operated for 387 days. The M1 model was used to prove that nitrification can be maintained even at pH values lower than 5. After gradually lowering the set of pH value, it was possible to achieve effective nitrification at pH 4.5. Model M2 was used to find the maximum achievable nitrogen loading rate of the system. The original goal was to achieve 80% TAN conversion at a load of 0.5 kg TAN/m3/day. This goal was not only successfully met, but it was possible to increase the load by another 20%.Based on the knowledge from operating laboratory models, a pilot plant model with a volume of 1000 L was built and operated for 206 days. The goal was to maintain nitrification at possible minumum pH value and at the highest possible nitrogen loading rate. Despite the failure at the beginning of the experiment, when the accumulation of nitrite nitrogen happened, it was possible to stabilize the reactor after the second inoculation. By the end of the experiment, effective nitrification was achieved at pH 5 and at a nitrogen loading rate of 0.06 kg TAN/m3/day. Under these conditions, 99% of TAN was sucessfully converted and 99% of the nitrifiaction products was the prefered nitrate nitrogen.

Keywords

bioplynová stanice, digestát, fugát, nitrifikace, ztráty dusíku, poloprovoz

Keywords

biogas plant, digestate, fugate, nitrification, nitrogen losses, pilot plant

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 22. 7. 2020

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