Technological Aspects of Anaerobic Digestion Steps
Technologický význam jednotlivých stupňů anaerobního rozkladu
Vedoucí/Supervisor
Prof. Ing. Jana Zábranská, CSc.
Jazyk/Language
English
Abstrakt
V celosvětovém měřítku jsou dnes podporovány technologie šetrné k životnímu prostředí, v Evropě je navíc značná pozornost věnována energetickému využití odpadů – zejména organických biologicky rozložitelných látek. Anaerobní rozklad je jedním z nejúčinnějších způsobů získávání energie z organických látek, protože vznikající methan nebo vodík jsou vhodná média pro uchovávání a transport energie. Z tohoto důvodu jsou anaerobní procesy v širokém měřítku zkoumány a využívány.
Tématem této práce bylo studium prvních dvou stupňů anaerobního rozkladu – hydrolýzy a acidogeneze. Pro demonstraci technologických aspektů procesu byly vybrány dvě praktické aplikace – získávání vodíku z rostlinné biomasy (amarantu neboli laskavce) a produkce snadno rozložitelného kapalného substrátu z fermentace primárního kalu.
Laskavec byl zvolen jako známá a rozšířená energetická plodina. Produkce vodíku z tohoto substrátu byla studována z mnoha různých úhlů pohledu. Byly zjištěny optimální podmínky pro získávání vodíku, jako nejvhodnější se jevil vsádkový provoz za mesofilních podmínek. Jako optimální byly stanoveny počáteční hodnoty zatížení CHSK 40 g/g a koncentrace substrátu 40 g/l CHSK. Při maximální specifické rychlosti tvorby vodíku 6,2 mol/h.kg byl dosažen výtěžek vodíku 2,0 mol/kg CHSK. Laskavec obsahující pouze 6 % extrahovatelných hexóz (nejhodnotnější složky z hlediska produkce vodíku) v sušině se ukázal jako nepříliš vhodná surovina pro získávání vodíku. Následně byla navržena dvoustupňová technologie, ve kterém byla rezidua z prvního stupně (produkce vodíku) využita ve druhém stupni pro produkci methanu.
Dále byla studována prefermentace čistírenských kalů jako zdroj snadno rozložitelného substrátu pro denitrifikaci.. Z výsledků vyplývá, že primární kal je (oproti přebytečnému aktivovanému kalu) vhodným substrátem. Výtěžek CHSK z primárního kalu byl při teplotě 22 °C 0,34 g/g. Vzniklý substrát obsahoval 16,4 g/l CHSK a 0,42 g/l Namon. Získaná kapalina byla úspěšně použita pro denitrifikaci ve vsádkových experimentech a následně i v kontinuálním laboratorním modelu.
Abstract
Nowadays, the environmentally friendly technologies are world widely supported. Above all, the energy utilization of waste materials (especially organic matter) is strongly supported by European community. Anaerobic digestion is one of the most effective ways of energy production from organic matter, because methane and/or hydrogen, as the end products of the process, are a suitable medium for energy storage and transport. Therefore, anaerobic digestion is a widely used and studied process.
The first two stages of anaerobic digestion of organic matter (hydrolysis and acidogenesis) were the subjects of the presented study. Two practical applications were chosen to demonstrate the technological aspects of the processes – hydrogen production from phytomass (amaranth) and production of readily degradable liquid substrate during fermentation of primary sludge.
Amaranth was chosen as a well known commonly grown energy crop. Hydrogen production from this substrate was studied from many points of view. Above all, the optimum conditions for hydrogen production were found. The batch mode of operation at mesophilic temperature was recommended. The initial organic loading of 40 g-COD/g-VSS and the initial substrate concentration of 40 g-COD/L were found as the optimum. The hydrogen yield of 2.0 mol/kg-COD was reached and the maximum specific hydrogen production rate of 6.2 mol/h.kg-VSS was observed. Amaranth with only 6 % of extractable hexoses (that form the most valuable part of the material in term of hydrogen production) in the dried material was not found as very suitable for hydrogen production. Consequently the suitable technology configuration for energy (methane and hydrogen) was proposed. The two step process where all the residues from the first step (hydrogen production) was utilized for methane production was recommended.
Prefermentation of sewage sludges was investigated as production of readily degradable substrate for denitrification. Primary sludge was recommended as the suitable substrate (in comparison with waste activated sludge). The COD yield from primary sludge of 0.34 g/g-VSS was achieved at temperature of 22 °C. The produced substrate contained 16.4 g-COD/L and 0.42 g-Nammon/L. The produced liquid was successfully utilized as substrate for denitrification in batch-experiments and consequently in the continuously operated laboratory model.