Počkejte prosím chvíli...
Nepřihlášený uživatel
Nacházíte se: VŠCHT PrahaFTOPÚstav technologie vody a prostředí  → O ústavu → Absolventi ústavu → Seznam disertačních prací → Andreides Markéta

Andreides Markéta

Optimisation of microaeration for H2S removal from biogas

Vedoucí/Supervisor

prof. Ing. Jan Bartáček, Ph.D.

Jazyk/Language

English

Abstrakt

Odsiřování bioplynu vznikajícího v anaerobních fermentorech je jedním z klíčových kroků zušlechťování bioplynu pro jeho bezpečné a cenově výhodné znovuvyužívání. Jednou z prokazatelně účinných biologických metod odsiřování bioplynu je mikroaerace, tedy dávkování malého množství kyslíku nebo vzduchu do anaerobního fermentoru. Dodaný kyslík podporuje růst sulfid oxidujících bakterií (SOB), které poté oxidují sulfan na elementární síru. Mikroaerace je dnes široce využívanou metodou na bioplynových stanicích a na čistírnách odpadních vod.

Z důvodu energetických úspor se často přechází z kontinuálního míchání fermentorů na přerušované, což způsobuje výkyvy v koncentraci sulfanu ve výstupním bioplynu. V těchto fermentorech není účinnost mikroaerace konzistentní. Další nevýhodou mikroaerace je vznik korozivních sirných biofilmů zkracujících životnost technologie. Z těchto důvodů se tato dizertační práce věnuje optimalizaci mikroaerace ve smyslu zredukování výkyvů koncentrace sulfanu v zušlechťovaném bioplynu a zároveň zkoumá strategie růstu biofilmu pro současnou optimalizaci technologie a ochranu konstrukčních materiálů fermentoru.

Tato dizertační práce sestává z teoretické a výzkumné částí. Teoretická část se zaměřuje obecně na biologické metody odstraňování sulfanu z bioplynu a shrnuje publikované kinetické matematické modely biologického odsiřování. Výzkumná část je rozdělena do tří samostatných kapitol. V první fázi výzkumu byl představen nový matematický model, který detailně popisuje osud sulfanu v anaerobním fermentoru. Tento model zohledňuje redukci síranu na sulfan v kapalné fázi, přestup sulfanu z kapalné do plynné fáze a následnou biologickou a chemickou oxidaci sulfanu z bioplynu. Senzitivní analýza modelu poukázala na klíčové parametry ovlivňující účinnost mikroaerace; plocha biofilmu a přestup sulfanu z kapalné do plynné fáze. Oba tyto parametry mohou být ovlivňovány změnou intenzity míchání nebo změnou geometrie plynového prostoru fermentoru. Oba tyto předpoklady byly zkoumány v dalších částech výzkumu.

Vliv intenzity míchání byl zkoumán v anaerobním fermentoru s různými intenzitami míchání kapalné fáze. Nejvyšší koncentrace sulfanu jsou zpravidla zaznamenány krátce po rozmíchání směsi. Změna strategie z jedné rychlosti míchání na postupné zvyšování intenzity míchání se ukázala jako nejvhodnější strategie kombinující jak udržení stabilně nízké koncentrace sulfanu v bioplynu, tak zachování vitality bakteriální kultury v kapalné fázi. Implementace tohoto poznatku do praxe nevyžaduje žádné investiční náklady ani vývoj kontrolních strategií a může být tedy okamžitě převedena do praxe. 

Posledním cílem výzkumu bylo navržení ochranné strategie fermentoru před účinky korozivních sirných biofilmů. Růst biofilmu byl systematicky zkoumán v reaktoru s proměnlivou geometrií plynového prostoru. Byly testovány tři konfigurace plynového prostoru fermentoru: prázdný plynový prostor, plynový prostor se třemi instalovanými skružemi visícími nad kapalinou a plynový prostor se třemi instalovanými skružemi v kontaktu s kapalinou. Na základě výsledků bylo prokázáno, že změna geometrie plynového prostoru mění směr proudění plynné směsi v plynovém prostoru. Růst biofilmu na stěnách fermentoru může být tedy potlačen a přesměrován na obětovaný materiál dodaný do fermentoru.

Pro ověření těchto výsledků byl v softwaru COMSOL Multiphysics vyvinut trojrozměrný matematický model popisující dynamiku proudění tekutin v plynovém prostoru simulující tok bioplynu jako hlavní hnací sílu pro distribuci živin v plynovém prostoru. 

Abstract

For safe and cost-effective reuse of biogas, the desulfurization of biogas in anaerobic fermenters is a crucial purification step. Microaeration, a well-established biological method for removing H2S from gases, involves introducing a small amount of air or pure oxygen into the anaerobic fermenters. This supports the growth of sulfide oxidizing bacteria (SOB), which can convert H2S into harmless elemental sulfur. Microaeration is widely employed in biogas stations and wastewater treatment plants.

Despite high efficiency of microaeration, energy-saving practices often lead to intermittent mixing of reactors, resulting in the rapid accumulation of H2S in the biogas, which remains unremoved. Additionally, the formation of sulfur-induced biofilms contributes to the corrosion of the fermenter's construction materials, ultimately diminishing the longevity of the technology. Therefore, this thesis is focused on the optimization of microaeration to mitigate H2S peak levels and explores strategies to manage biofilm proliferation, thereby concurrently harnessing the benefits of microaeration while safeguarding the fermenters.

This thesis consists of theoretical and research part. Theoretical part focuses on general biological removal of H2S from gases, and summary of bioconversion mathematical models of biological desulfurization introduced in literature. The empirical research is categorized into three distinct phases. In the initial phase of the research, a novel mathematical model was introduced, comprehensively describing the fate of H2S within fermenters. Notably, this model considers both the liquid and gas phases. Initially, sulfate is reduced by sulfate-reducing bacteria in the liquid phase, followed by the transfer of H2S from the liquid to the gas phase, where it undergoes oxidation through both chemical and biological processes. Sensitivity analyses of the model indicate that biofilm area and liquid-to-gas mass transfer represent pivotal parameters influencing microaeration. These parameters can be influenced through manipulating stirring intensity or fermenter geometry, providing a clear direction for further research.

Subsequently, the investigation focused on the impact of stirring intensity in lab-scale fermenters, varying the stirring speeds. As peak H2S concentrations typically manifested after the commencement of stirring, a stepwise escalation in stirring intensity emerged as the most effective operational strategy for maintaining consistently low H2S levels, without compromising biogas production or the vitality of the anaerobic culture in the liquid phase. This operational approach obviates the need for the development of complex control strategies or capital investment and can be readily implemented in microaerobic fermenters.

An important aspect of this thesis was the proposal of a protection strategy for fermenters against sulfur-driven biofilm formation. Biofilm growth was systematically studied within reactors featuring variable headspace configurations. Three configurations were tested: an empty headspace, a headspace with cylindrical baffles installed above the liquid phase, and a headspace with cylindrical baffles submerged in contact with the liquid. The results demonstrated that biofilm growth on the walls of fermenters can be effectively suppressed through the installation of baffles submerged in the liquid phase. To validate and extend these findings, a computational fluid dynamics (CFD) model was developed within COMSOL Multiphysics, simulating the flow of biogas as the principal driving force for nutrient distribution within the headspace.

Aktualizováno: 10.1.2025 16:06, Autor: Lucie Pokorná

VŠCHT Praha
Technická 5
166 28 Praha 6 – Dejvice
IČO: 60461373
DIČ: CZ60461373

Datová schránka: sp4j9ch

Copyright VŠCHT Praha 2014
Za informace odpovídá Oddělení komunikace, technický správce Výpočetní centrum
zobrazit mobilní verzi