Crispin Astolfo Celis Zambrano

Vedoucí/Supervisor

Prof. Ing. Pavel Jeníček, CSc.

Jazyk/Language

English

Abstract

The most important technology to stabilize waste activated sludge (WAS) is anaerobic digestion because it has great advantages such as volume reduction and usable energy recovery from the biogas produced. Biogas often contains undesirable components such as hydrogen sulfide (H2S) that alters its quality and reduces the possibility of its use. Different technologies have been developed in biogas purification but involve high costs in new facilities and acquisition of chemical products. In this study was performed the removal of high concentration of hydrogen sulfide from biogas using microaerobic condition by applying different volumes of air, oxygen and nitrates in the sludge suspension. The research was performed in two reactors of 10 L continuously stirred (65 rpm) with hydraulic retention time in average 30 days under mesophilic conditions (37 ± 2 °C). One digester was used for desulfurization and the other remained in anaerobic condition for comparisons. Experimentation was conducted in two stages. In the stage 1, the reactor 1 was switched to microaerobic conditions by the addition of different volumes of air (300-1600 mL/d) step by step in the sludge suspension until complete biogas desulfurization. In stage 2, it was added oxygen (340 mL/d) and nitrates (1.06, 2.12 and 4.24 g NO3-/d) in the sludge suspension as oxidants. Finally was tested the desulfurization efficiency when applying the same amount of air (800 mL/d) in the sludge suspension and in the headspace. The addition of 1600 mL air/d in the sludge suspension successfully reduced the hydrogen sulphide content in biogas from 17500 mg/m3 to less than 60 mg/m3. The treatment with 340 mL oxygen /d produced the same result (99% efficacy) as expected due to corresponds to the same amount of oxygen in 1600 mL of air. The nitrate addition was not effective for hydrogen sulphide removal and depressed the biogas production. The use of air in both in the sludge suspension and in the headspace produced 99% efficiency in sulfide removal from biogas, but the first had the advantage that reduced the dissolved sulfide concentration to lower than 50 mg/L in comparison to aeration in the headspace that remained in around 200 mg/L. Composition of sludge suspension differs mainly in soluble COD concentration which is significantly lower at microaerobic digestion due to others organic oxidation. Methanogenic activity slightly decreased due to air dosing in the digester, however, the methanogenic activity of microaerobic biomass was higher than that of strictly anaerobic biomass at higher sulfide concentrations.

Abstrakt

Nejvýznamnější technologií pro stabilizaci aktivovaného kalu je anaerobní stabilizace, protože nabízí výhody, jako je snížení hmotnosti kalu a energetické využití kalu díky vyrobenému bioplynu. Bioplyn obsahuje často nežádoucí složky, jako je sulfan (H2S), který mění jeho kvalitu a snižuje možnost jejího použití. Pro desulfurizaci bioplynu byly vyvinuty různé technologie, které jsou však většinou spojeny s vysokými náklady a spotřebou chemikálií. V této studii byly použity pro odstranění sulfanu z bioplynu mikroaerobní podmínky, kterých bylo dosahováno dávkováním různých množství vzduchu, kyslíku a dusičnanů do anaerobního reaktoru. Výzkum byl prováděn ve dvou reaktorech s pracovním objemem 10 L. Reaktory byly kontinuálně míchané, provozované při průměrné hydraulické době zdržení průměru 30 dnů v mezofilních podmínkách (37 ± 2 ° C). Jeden reaktor byl provozován jako mikroaerobní, druhý byl referenční a zůstal striktně anaerobní. Experimenty byly realizovány ve dvou etapách. V etapě 1, bylo mikroaerobních podmínek dosahováno postupným přidáváním různých objemů vzduchu (300-1600 ml/d) až do dosažení úplného odsíření bioplynu. V 2. etapě, byl vzduch nahrazen kyslíkem (340 ml/d) a dusičnany (1.06, 2.12 a 4.24 g NO3-/d). Nakonec bylo testováno dávkování stejného množství vzduchu (800 ml/d) jednou do kalové suspenze podruhé do plynového prostoru. Přidávání 1600 ml vzduchu za den do kalové suspenze zajistilo snížení koncentrace sulfanu z 17500 mg/m3 na méně než 60 mg/m3. Dávkování 340 ml kyslíku za den vedlo ke stejnému výsledku (99% účinnost), jak se očekávalo vzhledem k tomu, že toto množství odpovídá množství kyslíku v 1600 ml vzduchu. Přidávání dusičnanů nebylo dostatečně účinné. Při rozdílném místu dávkování vzduchu jak do kalové suspenze tak do plynového prostoru bylo dosaženo rovněž 99% účinnosti odstranění sulfanu z bioplynu, ale rozdíl byl v tom, že dávkování do kalové suspenze snižuje koncentraci rozpuštěných sulfidů pod 50 mg/l, zatímco při dávkování vzduchu do plynového prostoru zůstala koncentraci rozpuštěných sulfidů kolem 200 mg/l. Složení kalů se liší především v koncentraci CHSK rozpuštěných látek, která je výrazně nižší u microaerobního procesu v důsledku hlubší oxidace organických látek. Methanogenní aktivita nejprve v mikroaerobních podmínkách mírně poklesla, nicméně, při vysokých koncentracích sulfidů byla methanogenní aktivita microaerobní biomasy vyšší.