Povećanje energetske efikasnosti u postrojenjima za tretman otpadnih voda optimizacijom procesa kodigestije

Abstract

Anaerobna digestija je proces u kojem mikroorganizmi razlažu biorazgradivi materijal u odsustvu kiseonika. Danas, ona predstavlja tehnologiju kojom se može stabilizovati kanalizacioni mulj, a koristi se i kod digestivnih tretmana različitih biorazgradivih otpadaka. Krajnji proizvod procesa je biogas koji se sakuplja kao obnovljiva energija i digestat bogat hranljivim materijama, a koji se najčešće koristi kao bio-đubrivo. Na taj način, proizvodnja obnovljive energije i prerada otpada postižu se istovremeno, bez potrebe za dodatnim postrojenjima. Stabilnost i performanse procesa anaerobne digestije mogu se poboljšati kombinovanjem nekoliko različitih vrsta biorazgradivog otpada u jednu smešu. Na taj način bi se poboljšala profitabilnost postrojenja i prevazišli brojni problemi, poput neravnoteže hranljivih materija, brzog zakiseljavanja i prisustva inhibicijskih jedinjenja. Implementacijom kodigestije u postrojenja za prečišćavanje otpadnih voda povećava se prinos biogasa, pa je cilj ove disertacije bio pronalaženje optimalnog odnosa biorazgradivog otpada i kanalizacionog mulja. Poboljšanje proizvodnje biogasa istraženo je serijskim testovima pomoću osnovne opreme za procenu bio-hemijskog metanskog potencijala (BMP), dok su sinergijski efekti procenjeni bilansiranjem hemijske potrošnje kiseonika (COD). Analize su vršene u četiri odnosa (bazirana na zapremini) (3/1, 1/1, 1/3, 1/0) primarnog mulja i otpada od hrane sa niskim procentualnim dodatkom otpadne hrane: 3,375%; 4,675% i 5,35%; respektivno. Utvrđeno je da je najbolji odnos 1/3 sa maksimalnom proizvodnjom biogasa (618,7 mL/g VS dodatog) i organskim uklanjanjem od 52,8% eliminacije COD-a. Najveća stopa poboljšanja primećena je između ogleda sa odnosom 3/1 i 1/1 (105,72 mL/g VS). Uočena je pozitivna korelacija između prinosa biogasa i uklanjanja hemijske potrošnje kiseonika, dok je mikrobiološki fluks zahtevao optimalnu vrednost pH. Vrednost pH od 8 značajno je smanjila dnevnu stopu proizvodnje. Redukcija COD-a dopunski je podržala sinergijski efekat; konkretno, dodatnih 7,1%; 12,8% i 17% COD-a je pretvoreno u biogas tokom kodigestija 1, 2 i 3, respektivno. Za procenu kinetičkih parametara i proveru tačnosti eksperimenata primenjena su tri matematička modela. Model prvog reda sa stopom hidrolize od 0,23–0,27 ukazivao je na brzo biorazgradive ko/supstrate, modifikovani Gomperc je potvrdio trenutni početak kodigestija kroz nultu fazu kašnjenja, dok je Konov model imao najbolju prilagođenost od preko 99% za sva ispitivanja. Konačno, u okviru disertacije je pokazano da se model COD-a zasnovan na linearnoj zavisnosti može koristiti za relativno tačnu procenu potencijala biogasa u anaerobnim digestorima.

Anaerobic digestion is a process in which microorganisms break down biodegradable material in the absence of oxygen. Today, it represents a technology that can stabilize sewage sludge, and be used in the digestive treatment of various food or biodegradable wastes and the collection of bioenergy. The end product of the process is biogas, which is collected as renewable energy and nutrient-rich digestate, which is most often transformed into biofertilizer. In this way, the production of renewable energy and the processing of waste are achieved simultaneously, without the need for additional facilities. The stability and performance of the anaerobic digestion process can be improved by combining several different types of biodegradable wastes into one mixture. On that way plant profitability would improve and overcome numerous problems, such as nutrient imbalances, rapid acidification, and the presence of inhibitory compounds. Co-digestion implementation in wastewater treatment plants enhances biogas yield, so this dissertation investigated the optimal ratio of biodegradable waste and sewage sludge. The increase in biogas production was investigated through batch tests using basic biomethane potential (BMP) equipment, while synergistic effects were evaluated by chemical oxygen demand (COD) balance. Analyses were performed in four volume basis ratios (3/1, 1/1, 1/3, 1/0) of primary sludge and food waste with added low food waste: 3,375%; 4,675% and 5,35%; respectively. The best proportion was found to be 1/3 with the maximum biogas production (618,7 mL/g VS added) and the organic removal of 52,8% COD elimination. The highest enhancement rate was observed among co-digs 3/1 and 1/1 (105,72 mL/g VS). A positive correlation between biogas yield and COD removal is noticed while microbial flux required an optimal pH, value of 8 significantly decreased daily production rate. COD reductions further supported the synergistic impact; specifically, an additional 7,1%; 12,8%; and 17% of COD were converted into biogas during co-digestions 1, 2, and 3, respectively. Three mathematical models were applied to estimate the kinetic parameters and check the accuracy of the experiment. The first-order model with a hydrolysis rate of 0,23–0,27 indicated rapidly biodegradable co/substrates, modified Gompertz confirmed immediate commencement of codigs through zero lag phase, while the Cone model had the best fit of over 99% for all trials. Finally, the thesis points out that the COD method based on linear dependence can be used for developing a relatively accurate model for biogas potential estimation in anaerobic digesters.