Microaeration for biogas desulfurization – experimental and simulation study of various reactor types
Mikroaerace pro odstraňování sulfanu z bioplynu – experimentální a modelovací studie pro různé typy reaktorů
Doktorát s dvojím diplomem/Doctoral double degree
VŠCHT Praha, Ghent University
Vedoucí/Supervisor
Prof. Ing. Pavel Jeníček, CSc., doc. Ing. Jan Bartáček, Ph.D. (VŠCHT Praha)
Prof. Eveline I.P. Volcke (Ghent University)
Jazyk/Language
English
Abstract
High hydrogen sulfide concentrations in biogas produced during anaerobic treatment of sulfate-rich substrates cause major problems such as inhibition of methanogenic populations, corrosion of concrete and steel, damage to cogeneration units, and toxicity to humans. Microaeration, i.e., the dosing of small amounts of air or oxygen into an anaerobic digester, is a highly efficient, simple and economically feasible technique to remove hydrogen sulfide from biogas. During microaeration, sulfide is oxidized by sulfide oxidizing bacteria to harmless elemental sulfur. However, microaeration has also potential drawbacks such as partial oxidation of organic substrate, aerobic hydrolysis, higher amounts of nitrogen in the biogas or clogging the walls and pipes with elemental sulfur.
In this thesis, the effectiveness of microaeration to remove large quantities of hydrogen sulfide from biogas (over 10 g H2S m-3) and to decrease the liquid phase sulfide concentration was demonstrated in lab-scale UASB and CSTR reactors, as well as in full-scale CSTR applications. Sulfide from both the gas phase and liquid phase was oxidized to solid elemental sulfur, ending up in the effluent and partly accumulating on the wall of the headspace compartment. Microaeration had no negative effect on the methanogenic activity nor on the efficiency of COD conversion. For suspended sludge, microaeration also improved its dewaterability. A model including sulfate reduction and sulfide oxidation processes was set up to describe microaeration in a UASB reactor. The model was validated using experimental data and showed a good fit in terms of gaseous H2S emissions and biogas flow rate.
Biomembranes were successfully introduced at lab-scale and pilot-scale as a novel method for hydrogen sulfide removal through microaeration. The biomembranes served as a support for biomass growth (biofilm) and provided a surface for elemental sulfur precipitation thus avoiding its accumulation in the pipelines. The transport, removal and permeation of hydrogen sulfide, nitrogen, oxygen, methane and carbon dioxide through the biomembranes were studied. Hydrogen sulfide was almost completely removed from biogas while the biomembrane prevented oxygen and nitrogen to contaminate biogas. Both chemical and biochemical sulfide oxidation were observed, the biochemical sulfide oxidation rate
being faster.
The results of this thesis demonstrate that microaeration is an effective and promising method for sulfur removal, not only for use in small-scale applications, but also in the real wastewater treatment plant.
Abstrakt
Vysoké koncentrace sulfanu v bioplynu jsou hlavním problémem spojeným s anaerobní čištěním substrátů bohatých na sírany. Sulfan způsobuje inhibici metanogenních populací, korozi betonu a oceli, ohrožuje funkci kogeneračních jednotek a je toxický pro člověka. Microaerace, tj. dávkování malého množství vzduchu nebo kyslíku přímo do anaerobního reaktoru, je vysoce účinná, jednoduchá a ekonomicky výhodná metoda odstraňování sulfanu z bioplynu. Během mikroerace se sulfid oxiduje na neškodnou elementární síru za pomoci sulfidy oxidujících bakterií. Mikroerace má ovšem i potenciální nevýhody, jako je částečná oxidace organického substrátu, aerobní hydrolýza, vyšší množství dusíku v bioplynu nebo zanesení stěn a potrubí reaktoru elementární sírou.
V této doktorské práci byla prokázána účinnost mikroaerace pro odstranění velkého množství sullfanu (více než deset tisíc mg m-3) z bioplynu a snížení koncentrace sulfidu v kapalné fázi jak v laboratorním (v UASB a CSTR reaktorech), tak v provozním měřítku. Sulfidy z plynné i kapalné fáze byly oxidovány na pevnou elementární síru, která částečně odcházela s odtokem a částečně se hromadila na stěnách plynového prostoru. Mikroerace neměla negativní vliv na metanogenní aktivitu či účinnost odstranění CHSK. U suspendovaného kalu zlepšila mikroerace odvodnitelnost. Dále byl vyvinut matematický model mikroaerace v UASB reaktoru, který zahrnoval procesy redukce síranů na sulfidy a oxidace sulfidů na elementární síru. Model byl validován pomocí experimentálních dat.
V laboratorním a v poloprovozním měřítku byla úspěšně otestována nová mikroaerční metoda pro odstraňování sulfanu z bioplynu za pomocí tzv. biomembrány. Biomembrány sloužila jako podpora růstu biomasy a poskytovala plochu pro srážení elementární síry, čímž se zabránilo její akumulaci na stěnách a potrubí reaktoru. Byl studován transport, odstranění a propustnost sulfanu, dusíku, kyslíku, metanu a oxidu uhličitého skrz biomembránu. Sulfan byl z bioplynu téměř zcela odstraněn, zatímco kontaminace bioplynu kyslíkem a dusíkem byla snížena. Byla pozorována jak chemická, tak biochemická oxidace sulfidů, přičemž rychlost biochemické oxidace byla vyšší.
Výsledky této práce ukazují, že mikroerace je vhodnou metodou pro odstraňování sulfanu z bioplynu a je vhodná nejen pro použití v laboratoři, ale i v reálném měřítku napřiklad na čistírnách odpadních vod.