Odstraňování dusíku při zpracování fugátu jako odpadní vody

Bc. Lucie Chylíková

Master's thesis

Nitrogen Removal During the Liquid Phase of Digestate Treatment

Abstract:

V rámci diplomové práce byl prováděn experiment zpracování fugátu jako odpadní vody procesem částečné nitritace a anammox procesu v prostorách ČZU od 27. 7. 2020 do 25. 2. 2021. Fugát je kapalná fáze po separaci fermentačního zbytku, který vzniká jako vedlejší produkt při anaerobní fermentaci v bioplynových stanicích. V průběhu experimentu vstupoval fugát do nitritačního reaktoru, kde byl podroben procesu částečné nitritace za vzniku N-NO2-. Odtok z nitritačního reaktoru byl následně použit jako vstup do anammox reaktoru, kde probíhal proces anammox činností anammox organismů, kdy výsledným produktem procesu byl N2. Nitritační reaktor o objemu 1,5 l byl umístěn v laboratoři. Pracoval na principu SBR systému ve 4 cyklech za den. Cyklus se skládal z odtoku z reaktoru, přítoku nového fugátu, aerace a sedimentace. Pro zajištění optimálních podmínek byla kontrolována koncentrace rozpuštěného kyslíku na konci nitritačního cyklu a po 5 minutách probíhající aerace reaktoru. Účinnost nitritace ve fugátu činila průměrně 66,7 ± 7,3 Koncentrace N-NO2- v odtoku z nitritačního reaktoru byla průměrně 463,2 ± 150,3 mg/l. Anammox reaktor o objemu 5 l byl umístěn v inkubačním boxu při teplotě kolem 30 °C. Reaktor fungoval na principu CSTR, tzv. směšovací aktivace kde probíhal kontinuální průtok reaktorem. Pro zajištění optimálních podmínek bylo regulováno pH na hodnotu 7 přídavkem roztoku NaOH. Maximální koncentrace rozpuštěného kyslíku byla naměřena 0,2 mg/l. Koncentrace N- amon ve vstupním fugátu pro proběhlé nitritaci byla průměrně 150,2 ± 28,3 mg/l. V reaktoru byla průměrná koncentrace N-amon 19,4 ± 16,9 mg/l. Účinnost odstranění N- amon dosahovala průměrné hodnoty 87,3 ± 10,2 %. Průměrná koncentrace N-NO2- byla ve vstupním fugátu 157,1 ± 77,1 mg/l. V reaktoru byla koncentrace N-NO2- 2,9 ± 3,8 mg/l. Účinnost odstranění N- NO2- byla průměrně 96,7 ± 6,0 %. Celková účinnost odstranění dusíku byla velmi proměnlivá, a nejlepších výsledků dosahovala po aplikování neředěného fugátu, kdy účinnost odstranění celkového dusíku dosahovala 78,8. Při prováděném experimentu byla z části potvrzena hypotéza účinnosti částečné nitritace/anammox v extrémních podmínkách. I přes poměrně nízkou účinnost odstranění CHSK v anammox reaktoru bylo dosaženo vcelku vysoké účinnosti odstranění jednotlivých sloučenin dusíku. Koncentrace N-amon a N-NO2-, které inhibují aktivitu anammox organismů nebyla v reaktoru anammox dosažena, tudíž z totoho hlediska nelze potvrdit účinnost procesů v případě výskytu nadlimitních koncentrací N-amon a N-NO2-. Limitování rychlosti anammox procesu v důsledku vysokého obsahu nerozpuštěných látek ve fugátu nebylo možné potvrdit ani vyvrátit, díky získání nerelevantních výsledků, kdy množství nerozpuštěných látek vykazovalo záporné hodnoty vlivem problematických vlastností fugátu z pohledu stanovení koncentrace nerozpuštěných látek.

Abstract:

As part of the diploma thesis, an experiment was performed on the processing of fugate as wastewater by the process of partial nitritation and anammox process in the CZU premises from 27. 07. 2020 to 25. 02. 2021. The fugate is a liquid phase of digestate (LPD) in the biogas plants. During the experiment, the LPD entered the nitritation reactor, where it was subjected to a process of partial nitritation to form N-NO2-. The effluent from the nitritation reactor was subsequently used as input to the anammox reactor, where the anammox process took place by the activities of anammox organisms, where the final product of the process was N2. The nitritation reactor was placed in the laboratory, volume of nitritation reactor was 1,5 l. Nitritation reactor worked on the principle of the SBR system in 4 cycles per day. The cycle consisted of reactor effluent, new feed, aeration and sedimentation. To ensure optimal conditions, the dissolved oxygen concentration was checked at the end of the nitritation cycle and after 5 minutes of aeration of the reactor. The nitration efficiency in the LPD averaged 66.7 ± 7.3. The concentration of N-NO2- in the effluent from the nitritation reactor was on average 463.2 ± 150.3 mg/l. The Anammox reactor was placed in an incubation box at about 30 ° C, volume of anammox reactor was 5 l. The reactor operated on the principle of CSTR, so-called mixing activation, where a continuous flow through the reactor took place. To ensure optimal conditions, the pH was adjusted to 7 by the addition of NaOH solution. The maximum dissolved oxygen concentration was measured to be 0.2 mg/l. The concentration of the total ammonium nitrogen (TAN) the input LPD for the past nitritation averaged 150.2 ± 28.3 mg/l. The average of TAN concentration in the reactor was 19.4 ± 16.9 mg/l. The TAN removal efficiency averaged 87.3 ± 10.2 %. The average concentration of N-NO2- in the input body was 157.1 ± 77.1 mg/l. The concentration of N-NO2- in the reactor was 2.9 ± 3.8 mg/l. The N-NO2- removal efficiency averaged 96.7 ± 6.0 %. The overall nitrogen removal efficiency was very variable, and the best results were obtained after the application of undiluted LPD, when the total nitrogen removal efficiency reached 78.8. In the performed experiment, the hypothesis of the effectiveness of partial nitritation/anammox in extreme conditions was partially confirmed. Despite the relatively low COD removal efficiency in the anammox reactor, a relatively high removal efficiency of the individual nitrogen compounds was achieved. The concentration of TAN and N-NO2-, which inhibit the activity of anammox organisms, was not reached in the anammox reactor, therefore the efficiency of the processes cannot be confirmed in this respect in case of above-limit concentrations of TAN and N-NO2-. Limiting the rate of the anammox process due to the high content of insolubles in the LPD could not be confirmed or refuted, due to obtaining irrelevant results, when the amount of insolubles showed negative values due to problematic properties of the LPD in terms of determining the concentration of insolubles.

Keywords

odstraňování dusíku, nitrifikace, denitrifikace, anammox, fermentační zbytek, fugát

Keywords

nitrogen removal, nitrification, denitrification, anammox, digestate, liquid phase of digestate

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 27. 4. 2021

Thesis defence

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

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Agrobiology, Food and Natural Resources

Master programme / field:
Conservation and Use of Natural Resources / Conservation and Use of Natural Resources