Lanko Iryna

Vedoucí/Supervisor

Doc. Ing. Pavel Jeníček, CSc.

Jazyk/Language

English

Abstrakt

Anaerobní fermentace – Anaerobic digestion (AD) je v současnosti celosvětově rozšířenou a preferovanou technologií pro stabilizaci čistírenských kalů, redukci jejich množství a výrobu „zelené“ energie. AD přispívá k přeměně čistírny odpadních vod (ČOV) na zařízení na využití obnovitelných zdrojů energie a surovin.

V této disertační práci byly studovány tři různé konfigurace AD s ohledem na následující provozní aspekty:

• Kvalita stabilizovaného kalu, odvodnitelnost a hygienizace;
• Vliv míchání na účinnost AD;
• Hodnocení životního cyklu (LCA) studovaných procesů stabilizace kalu a čištění odpadních vod.

Ačkoli TPAD již je dlouho studován, neexistuje komplexní studie o srovnatelném paralelním provozu několika TPAD a mezofilních a termofilních systémů napájených stejným substrátem. Chybí pak holistické srovnání zaměřené nejen na hlavní provozní parametry AD, jako je degradace organické hmoty a produkce metanu, ale hodnotící také další důležité parametry jako je kvalita stabilizovaného kalu z hlediska odvodnění, patogenní bezpečnost a energetická hodnota s ohledem na jeho konečnému využití.

Cílem této disertační práce bylo porovnat kaly z mezofilní anaerobní stabilizace (MAD), termofilní anaerobní stabilizace (TAD) a TPAD a definovat nejlepší alternativy pro různé způsoby konečného využití kalů. Odvodnitelnost byla testována dvěma metodami, centrifugací a mechanickým lisováním. Při použití obou metod experimentální výsledky ukázaly, že TAD a TPAD překonávají výkon MAD. Účinnost AD závisí na mnoha faktorech, včetně systému míchání a jeho provozního režimu. Existuje několik studií, které zkoumají účinnost procesu AD z hlediska účinnosti míchání. Většina z nich se však zaměřuje na jednotlivé faktory (jako je mikrobiální diverzita nebo účinnost degradace organické hmoty) v jediném teplotním režimu a konfiguraci bez paralelního srovnání několika AD systémů. V této dizertační práci jsou porovnávány dva různé typy míchacích systémů se dvěma rotačními režimy. Tyto alternativy míchacího zařízení byly testovány současně na třech laboratorních reaktorech se třemi různými teplotními režimy (mezofilní, termofilní a teplotně fázovaný) a dvěma konfiguracemi (jedno- a dvoustupňový AD) a následně modelovány. Experimenty ukázaly, že jednolopatkový míchací mechanismus při pomalé rychlosti míchání fungoval lépe než dvoulopatkový míchací systém při vyšší rychlosti otáčení a zlepšil účinnost AD.

Dalším zkoumaným aspektem byla minimalizace HRT v prvním stupni systému TPAD (TPAD1). Bylo zjištěno, že i při dvou dnech HRT lze v TPAD1 dosáhnout významné produkce metanu a udržet ho na vysokém úrovni i ve druhém stupni (TPAD2). Tyto poznatky byly prokázány mikrobiologickým rozborem vzorků odebraných z obou stupňů systémů TPAD. Nakonec byly porovnány stejné tři alternativní systémy anaerobní digesce (TAD, MAD a TPAD), nástroji hodnocení životního cyklu (LCA). Byla provedena dvě hodnocení životního cyklu: celá ČOV (pro funkční jednotku (FU) 1 m3 vyčištěné odpadní vody) a samotná kalová linka (SL) (pro FU 1 m3 vyrobeného metanu). Data pro LCA byla získána z prováděných laboratorních experimentů, v kombinaci s provozními a literárními daty. Nejlepší alternativou AD byla TAD ve všech kategorií dopadu na životní prostředí, kromě změny klimatu a toxicity pro člověka.

Abstract

Anaerobic digestion (AD) is currently spread all over the world for sewage sludge stabilisation, volume reduction and green energy production. Its implementation contributes to turn a wastewater treatment plant (WWTP) into a resource recovery facility.

In this PhD Thesis, three different AD configurations were studied with regard to the following operational and functional issues:

• Digested sludge quality, dewaterability and pathogenic safety;
• AD efficiency in terms of mixing equipment and its operational regime;
• Life cycle assessment (LCA) of sludge and wastewater treatment.

Though temperature-phased AD (TPAD) has already been studied, a comprehensive study on the simultaneous operation of several AD systems fed with the same substrate and comparing not only the main operational AD parameters such as organic matter degradation and methane production rate, but also digested sludge quality in terms of dewaterability, pathogenic safety and energetic value, considering its final disposal step, is still missing.

Thus, one of the objectives of this PhD Thesis was to compare the mesophilic anaerobic digestion (MAD), thermophilic anaerobic digestion (TAD) and TPAD digested sludges and define the best alternatives for final disposal. The complex parameter of dewaterability was tested by two methods, centrifugation and mechanical pressing. Applying both methods, the experimental results showed that TAD and TPAD overcome MAD performance. The AD efficiency depends on many factors, including the mixing system and its operational regime. A mixing system and its operational regime are of high practical interest, as the stirring process can affect the AD efficiency significantly, both positively and negatively. Hence, there are several studies that investigate the effectiveness of the AD process in terms of mixing efficiency. However, most of them focus on certain factors (like microbial diversity or organic matter degradation efficiency) under a single temperature regime and configuration without a parallel comparison of several AD systems.

Thus, in this PhD Thesis, two different types of mixing mechanisms with two rotational regimes were selected. These mixing equipment alternatives were tested simultaneously on three laboratory AD systems with three different temperature regimes (mesophilic, thermophilic and temperature-phased) and two configurations (single- and double-stage AD) and afterwards modelled. The experiments showed that the simplest mixing mechanism at slow mixing velocity affected the AD efficiency in a better way than the more complicated mixing system at higher rotational speed. Another issue studied was a short HRT of the first stage of the TPAD system. It was found out that even at two days of HRT at TPAD1 methane content and volume can be reached in the fermenter and maintained a at significant amount at the second stage. These findings were proved by the microbiological analysis of samples taken from both stages of TPAD systems. 

Finally, the same three alternative anaerobic digestion systems (TAD, MAD and TPAD) were compared to determine which system may have the best environmental performance. Two life cycle assessments were performed considering: the whole WWTP (for a functional unit (FU) of 1 m3 of treated wastewater), and the sludge line (SL) alone (for FU of 1 m3 of produced methane). The data for the LCA were obtained from previous laboratory experimental work in combination with full-scale WWTP and literature. The best AD alternative was TAD concerning all environmental impact categories, except for Climate change and Human toxicity.