Intensification of biogas production during fermentation of organic materials with high nitrogen concentration
Intenzifikace produkce bioplynu při fermentaci organických materiálů s vysokým podílem dusíku
Vedoucí/Supervisor
Prof. Ing. Jana Zábranská, CSc.
Jazyk/Language
Czech
Abstrakt
Tématem práce je anaerobní fermentace organických materiálů přinášejících do procesu značná množství organického nebo přímo amoniakálního dusíku, který ve vyšších koncentracích působí inhibičně na anaerobní kulturu a snižuje produkci bioplynu. Teoretická část práce se podrobně zabývá vlivem amoniakálního dusíku na mikroorganismy a jevy, které mohou snižovat jeho inhibici. Také jsou zde charakterizovány některé substráty s vysokým podílem dusíku a naopak s nízkým podílem uhlíku. Dále jsou uváděny možnosti, jak lze amoniakální dusík efektivně odstraňovat s jejich podrobným popisem, mechanismem, možnostmi využití při anaerobní fermentaci a praktickými zkušenostmi. Důraz je kladen zejména na potlačení inhibičního vlivu vysokých koncentrací amoniakálního dusíku, zvýšení aktivity anaerobních mikroorganismů, produkce bioplynu a výtěžnosti methanu interními zásahy přímo do fermentačního procesu.
Z metod pro odstraňování vysokých koncentrací amoniakálního dusíku byly vybrány ty postupy, které jsou aplikovatelné přímo během anaerobního procesu v anaerobním reaktoru nebo vně za semikontinuálního provozu a které by co nejméně negativně ovlivňovaly anaerobní mikroorganismy a tím i produkci bioplynu. Jako vhodná metoda pro další výzkum odstraňování amoniakálního dusíku byla vybrána sorpce na zeolit, srážení do struvitu a stripování. U zvolených metod byla experimentálně zjišťována jejich účinnost při odstraňování amoniakálního dusíku při různém nastavení technologických parametrů, vliv těchto metod na anaerobní rozklad substrátu, na anaerobní mikroorganismy a na produkci a výtěžek methanu při anaerobních vsádkových testech.
Účinnost odstranění Namon srážením do struvitu silně závisí na pH, teplotě, míchání a poměrech a zdrojích hořečnatých a fosforečnanových iontů jako srážedel. Nejdůležitější faktor je poměr dávkovaných chemikálií. Ač má přídavek srážecích chemikálií negativní vliv na počátku anaerobního rozkladu, ve výsledku má vliv pozitivní a bylo dosaženo vyšších produkcí bioplynu.
Z výsledků experimentů, kde byl zjišťován vliv přídavku zeolitu na anaerobní rozklad, je patrné, že se zvyšující se dávkou zeolitu na jednotku amoniakálního dusíku stoupá i účinnost anaerobního rozkladu do určitého optima, vyšší přídavek působí na specifickou produkci methanu spíše negativně.
Při stripovacích experimentech při vyšších koncentracích amoniakálního dusíku (nad 3 g/l) byl jednoznačně zjištěn pozitivní vliv stripování na následný průběh anaerobního rozkladu. Stripování bylo vybráno jako metoda pro odstraňování amoniakálního dusíku během provozování anaerobních semikontinuálních reaktorů zatěžovaných vysokou koncentrací amoniakálního dusíku. Z výsledků vyplývá, že použitím této metody a tohoto technologického uspořádání lze eliminovat negativní vliv amoniaku na mikroorganismy přímo při fermentaci a zvýšit tak jejich aktivitu a tedy i produkci bioplynu a výtěžek methanu. Úspěšnost metody stripování ovšem závisí na technickém uspořádání, typu stripovacího zařízení a způsobu propojení s reaktorem.
Abstract
The topic of the study is anaerobic fermentation of organic materials that introduce to the process substantial quantities of organic nitrogen or directly ammonia at higher concentrations, which causes inhibition of anaerobic culture and reduces the production of biogas. The theoretical part of the work deals with in detail the influence of ammonia nitrogen on micro-organisms and phenomena, which can reduce its inhibition. There are also characterized substrates with a high proportion of nitrogen and conversely low carbon content. The options of an efficient removal of ammonia are listed with their detailed description, mechanisms, possibilities of application in anaerobic fermentation, and practical experience. Particular emphasis is on suppression of the inhibitory effect of high concentrations of ammonia to increase the activity of anaerobic microorganisms and the production of biogas by internal interventions directly to the fermentation process.
From methods of the removal of high concentrations of ammonia nitrogen were selected those procedures that are applicable directly during the anaerobic process in anaerobic reactor, or outside in a recycle loop, and that minimize negative impact on anaerobic micro-organisms and thus the production of biogas. As suitable methods for further research of ammonia removal were selected sorption on zeolite, precipitation to struvite and stripping by gas. At the chosen methods has been experimentally determined their effectiveness in removing ammonia nitrogen at different process parameters, the influence on anaerobic degradation of the substrate, on anaerobic microorganisms activity and on the biogas production in batch tests.
The removal efficiency of Namon to struvite precipitation strongly depends on pH, temperature, and mixing conditions and sources of magnesium and phosphate ions as precipitants. The most important factor is the ratio of dosed chemicals. Although the addition of chemicals has a negative effect at the beginning of anaerobic substrate decomposition, as a final result is a positive effect in the higher production of biogas.
From the results of experiments, where the effect of addition of zeolite on anaerobic degradation was investigated, it is clear that with increasing dose of zeolite per unit of ammonia the efficiency of anaerobic degradation increases to a certain optimum, a higher dose of zeolite influences a specific production of methane rather negatively.
During stripping experiments with higher concentrations of ammonia nitrogen (above 3g/ L) was clearly observed a positive effect on the subsequent course of the biogas production. Stripping was chosen as a method for removing ammonia nitrogen during semi-continuous operation of the anaerobic reactors loaded with high concentrations of ammonia nitrogen. The results show that by using this method and this technological arrangement the negative influence of ammonia on the microorganisms can be eliminated directly during the fermentation to increase their activity and thus the production of biogas and methane yield. Success of the stripping method, however, depends on the technical configuration, type of the stripping device, and connection with the reactor.