Alžběta Boušková

Vedoucí/Supervisor

Prof. Ing. Michal Dohányos, CSc.

Jazyk/Language

English

Abstrakt

Anaerobní stabilizace je v současné době velmi osvědčeným způsobem stabilizace čistírenských kalů i jiných organických odpadů. Je tomu tak díky její schopnosti do značné míry odstraňovat organický podíl za současné produkce bioplynu, který je dále využíván jako zdroj energie. Anaerobně stabilizovaný kal je díky svému složení možné následně využít v zemědělství jako hnojivo.

Anaerobní stabilizace čistírenských kalů a organické složky komunálního odpadu jsou hlavním tématem předkládané práce. Není to však proces samotný, ale kvalita a kvantita jednotlivých produktů tohoto procesu, kterými jsou stabilizovaný kal, bioplyn a kalová voda, a jejich změny v závislosti na měnících se provozních podmínkách procesu. Hlavním měřítkem kvality stabilizovaného kalu byla jeho odvodnitelnost, neboť účinnost odvodňovacího stupně hraje významnou roli v provozních nákladech většiny čistíren odpadních vod.

V první části práce bylo nutné nalézt hlavní parametry, charakterizující odvodňovací vlastnosti stabilizovaného kalu. Ukázalo se, že z hlediska filtrovatelnosti kalu to je především zákal kapalné fáze a koncentrace volných extracelulárních biopolymerůch uvolněných do roztoku. Pokud však je sledovaným parametrem stlačitelnost kalového koláče, stává se míra rozkladu organického substrátu či rozpadu vločkových struktur surového kalu řídícím měřítkem. Tyto informace posloužily jako základ pro sledování vlivu změn v provozních podmínkách na odvodnitelnost stabilizovaného kalu.

Výsledky poloprovozních testů potvrdily, že teplota je jednoznačně jedním z určujících faktorů, ovlivňující stabilitu anaerobního procesu. Se zvyšující se teplotou se proces častěji posouvá mimo nezbytnou rovnováhu, vytvořenou několika funkčními skupinami mikroorganismů, což vede ke zhoršení filtrovatelnosti kalu a ke zvýšení zákalu kalové vody. Naproti tomu je však kal stabilizovaný při vyšší teplotě možné odvodnit do vyšší míry stlačením kalového koláče díky vyššímu rozkladu vločkových struktur substrátu. Navazující experiment však prokázal, že při prodloužení hydraulické doby zdržení dochází i v termofilním reaktoru k postupnému rozkladu většiny uvolněných organických látek a zlepšuje se tak filtrovatelnost kalu i kvalita kalové vody. Nejvýhodnějším z hlediska kvality produktů anaerobní stabilizace se však jednoznačně ukázalo být dvoustupňové uspořádání procesu s termofilním a mesofilním rekatorem zapojeným v sérii, neboť spojuje výhody obou procesních teplot, tedy vyšší hydrolýzu při termofilní teplotě a dostatečný rozklad uvolněných organických materiálů při teplotě mesofilní.

Závěrem práce byla provedena studie aplikovatelnosti anaerobní stabilizace organického podílu směsného komunálního odpadu (OPSKO) na městské čistírně odpadních vod v Malmö (Švédsko), demonstrující vliv složení substrátu na kvalitu a kvantitu produktů stabilizace. Anaerobní stabilizace směsi surového čistírenského kalu s OPSKO až do výše 3 obj.% OPSKO neměla žádný prokazatelný vliv na odvodnitelnost stabilizovaného kalu či kvalitu kalové vody. Naproti tomu se projevil synergický efekt z hlediska tvorby bioplynu, kdy produkce metanu vzrostla o 5% oproti specifické produkci metanu ze samotného surového kalu. Čistírně odpadních vod se tedy nabízí možnost zpracovat až 20 000 t organického podílu komunálního odpadu ročně.

Abstract

Anaerobic digestion has become a well established technology for the stabilisation of sewage sludge as well as various other types of organic waste over the past decades. Its ability to substantially reduce the amount of sludge with a simultaneous production of energy-rich biogas and the use of digested sludge as an agricultural fertiliser has gained acceptance as a environmentally sound technology for treatment and disposal of both unwanted and harmful waste.

The anaerobic digestion of sewage sludge and the organic fraction of municipal solid waste (OFMSW) is the main theme of this thesis. However, it is not the process itself, but the products of anaerobic digestion, i.e. biogas, digested sludge and reject water, and their quality and quantity in response to changes in operational parameters and pre-treatment methods that were chosen as the main focus of the study. The quality of digested sludge was mainly evaluated with respect to its dewatering properties, due to the high economical impact of the sludge dewatering units within the operational costs of common wastewater treatment plants.

At first, parameters determining digested sludge dewatering properties were to be chosen and evaluated, due to the lack of such information in the currently available literature. Experimental results revealed that it is mainly turbidity and the concentration of extracellular polymeric substance released in the sludge’s liquid phase that determine the digested sludge filterability, while the degree of substrate’s flocs disruption is the key factor when sludge compressibility is taken into consideration. Thereby obtaining an understanding that allowed an evaluation of the influence of operational parameters on digested sludge dewatering properties, quality and quantity of biogas and composition of reject water.

Temperature proved to be a crucial parameter determining process performance in all the considered aspects. Results of several pilot-scale experiments showed that by increasing temperature the process is more likely to shift into a misbalance within the anaerobic microbial community, thus leading to a deterioration of the digested sludge filtration characteristics as well as to a higher turbidity of the reject water. On the other hand, sludge stabilised at the elevated temperature can be dewatered to a higher extent when external pressure is applied. Moreover, consequent experiments revealed that the prolonged retention time at the higher temperature resulted in an improvement in sludge filterability due to a sufficient time provided for the degradation of organic matter. Accordingly, the quality of reject water improved as well. However, a two-stage thermophilic-mesophilic operational set-up was shown to be the most advantageous merging the advantages of both of the operational temperatures, i.e. enhanced hydrolysis and improved equilibrium of the individual microbial groups for thermophilic and mesophilic temperature, respectively.

At last, a case study of the feasibility of anaerobic co-digestion of OFMSW together with sewage sludge at the wastewater treatment plant in Malmö (Sweden) was carried out in order to demonstrate the effects of changes in the substrate’s composition on the products of anaerobic digestion. Co-digestion of the sewage sludge and OFMSW at the proportion as high as 3 vol.% of OFMSW did not have any significant effect on sludge dewaterability or the quality of reject water, however it did show a synergic effect when biogas production was considered. It is therefore possible to treat up to 20 000 tons of OFMSW per year, while obtaining 5% more methane in comparison to the digestion of the raw sludge alone.