Možnosti zvýšení efektivity funkce nitrifikačního reaktoru při zpracování fugátu

Bc. Štěpán Buchta

Master's thesis

The Possibility of the Enhancement of the Effectiveness of the Function of Nitrification Reactor Treating Liquid Phase of Digestate

Anotácia:

Tato diplomová práce se věnuje optimalizaci procesu úpravy fugátu nitrifikací. Fugát je kapalnou frakcí fermentačního zbytku, resp. digestátu, který se produkuje v bioplynových stanicích jako v podstatě odpadní produkt. Fugát je velice bohatý na dusíkaté látky, a proto se využívá jako hnojivo. Nevýhodou fugátu je, že většina dusíku se v něm vyskytuje ve formě N-amon. Forma N-amon je velice nestálá a snadno uniká do ovzduší, proto je třeba fugát vhodně upravit. Tím se nabízí surový fugát upravit nitrifikací, která přemění snadno těkající N-amon na dusičnany. Právě dusičnany jsou známé svou větší stabilitou. K pokusu simulujícímu v laboratorních podmínkách nitrifikaci fugátu byly využívány celkem dva reaktory. Reaktor M1 byl v provozu po celou dobu pokusu, tedy 383 dní a na reaktoru M2 počalo měření 116. den od zahájení celého pokusu. U obou reaktorů se pozorovaly hodnoty CHSK, koncentrace N-amon, N-NO2 - a N-NO3 - , průtok fugátu reaktorem, hodnota pH a koncentrace kyslíku v nitrifikačním reaktoru. Oba reaktory se lišily tím, že u reaktoru M2 byl nastaven větší průtok vstupního fugátu. Šlo tedy o to, zda reaktor M2 zvládne fugát zpracovat rychleji, resp. při vyšším zatížení dusíkem, při zachování účinnosti odstranění N-amon. Nitrifikační reaktor M1 měl objem 5 l, zatímco objem reaktoru M2 byl 5,5 l. Další část práce se věnovala stripováním surového fugátu jako potenciální možnosti předúpravy fugátu před jeho zpracováním nitrifikací za účelem optimalizace provozu nitrifikačního reaktoru. Tento pokus probíhal 48 hodin a byla pozorována teplota fugátu, hodnota pH a koncentrace N-amon. Během pokusu byla teplota ve fugátu, ve kterém probíhalo stripování, konstantní a hodnota pH se zvyšovala. Cílem stripování bylo odseparovat významnou část N-amon z fugátu bez použití jakýchkoliv chemických činidel. Byly provedeny také testy zaměřené na posuzování možnosti snížení obsahu organických látek ve fugátu před jeho vstupem do nitrifikačního reaktoru s využitím vhodných srážedel. Během pokusu se podařilo odstranit průměrně 98,4 % (max. 99,9 %) N-amon v reaktoru M1 a u M2 99,3 % (max. 99,9 %). Zastoupení N-NO3- mezi produkty nitrifikace bylo u M1 průměrně 94,08 % a v M2 99,5 %. Reaktor M2 byl schopen spolehlivě pracovat při maximálním objemovým zatížení 0,60 kg/m3 ·den, kdy účinnost odstranění N-amon představovala 98,8 %. Během pokusu stripování fugátu se za 8 hodin průměrně odstranilo 26,3 % N-amon, za 24 hodin 67,7 % a za celých 48 hodin bylo odstraněno 82,9 % N-amon. U srážecích testů byly pozorovány pozitivní výsledky u nitrifikovaného fugátu a u surového fugátu, ve kterém bylo sníženo pH na hodnotu 2,5.

Abstract:

This diploma thesis is devoted to the optimization of the fugate treatment process by nitrification. Fugate is the liquid fraction of the fermentation residue, or digestate, which is produced in biogas plants as essentially a waste product. Fugate is very rich in nitrogenous substances, which is why it is used as a fertilizer. The problem with fugate is that most of the nitrogen in it is in the form of N-amon. The N-amon form is very unstable and easily escapes into the air, so the fugate must be adjusted appropriately. This offers the opportunity to treat the raw fugate by nitrification, which converts the easily volatile N-amon into nitrates. Nitrates are known for their greater stability. A total of two reactors were used for the experiment simulating fugate nitrification in laboratory conditions. Reactor M1 was in operation for the entire duration of the experiment, i.e. 383 days, and measurements on reactor M2 began on the 116th day after the start of the entire experiment. COD values, N-ammonium, N-NO2- and N-NO3- concentration, fugate flow through the reactor, pH value and oxygen concentration in the nitrification reactor were observed for both reactors. The two reactors differed in that reactor M2 had a larger flow rate of the inlet fugate. So it was a question of whether the M2 reactor can process fugate faster, or at a higher nitrogen load, while maintaining the efficiency of N-amon removal. Nitrification reactor M1 had a volume of 5 L, while reactor M2 had a volume of 5.5 L. The next part of the work is devoted to the stripping of raw fugate as a potential possibility of pre-treatment of fugate before its processing by nitrification in order to optimize the operation of the nitrification reactor. This experiment was carried out for 48 hours and the fugate temperature, pH value and N-ammonium concentration were observed. During the experiment, the fugate in which the stripping took place was adjusted and the pH value increased. The aim of the stripping was to separate only part of the N-ammonium from the fugate without the use of chemical agents. Tests were also carried out aimed at assessing the possibility of reducing the content of organic substances in the fugate before it enters the nitrification reactor using suitable precipitators. During the experiment, an average of 98.4% (max. 99.9%) of N-ammonium was removed in reactor M1 and 99.3% (max. 99.9%) in M2. The representation of N-NO3- among nitrification products was on average 94.08% in M1 and 99.5% in M2. Reactor M2 was able to operate reliably at a maximum volume load of 0.60 kg/m3·day, when the efficiency of N-amon removal represented 98.8%. During the fugate stripping experiment, an average of 26.3% N-ammonium was lasered in 8 hours, 67.7% in 24 hours, and 82.9% N-ammonium was removed in the full 48 hours. In precipitation tests, positive results were observed for nitrified fugate and for raw fugate in which the pH was reduced to 2.5.

Kľúčové slová

fermentační zbytek, fugát, nitrifikace, laboratorní a poloprovozní experimenty

Keywords

fermentation residue, fugate, nitrification, laboratory and pilot experiments

Jazyk práce: Czech

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 17. 4. 2023

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 15. 5. 2023
• Vedúci: Ing. Pavel Švehla, Ph.D.
• Oponent: Iva Dvořáková, externi

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Agrobiology, Food and Natural Resources

Master programme:
Waste Technology