kth.sePublications
Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Anaerobic digestion in continuous stirred tank reactors and plug flow reactors:: Comparison study concerning process performance
KTH, School of Engineering Sciences in Chemistry, Biotechnology and Health (CBH), Chemical Engineering.
2022 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesisAlternative title
Anaerob rötning i kontinuerligt omrörda tankreaktorer och pluggflödesreaktorer: : Jämförelsestudie avseende processprestanda (Swedish)
Abstract [sv]

Användningen av kommunalt avfall för att producera förnybar energi, huvudsaklig biogas, uppfyller 8 av Sveriges 16 miljökvalitetsmål. Två typer av rötningsprocesser som används är kontinuerligt omrörda tankreaktorer (CSTR) och pluggflödesreaktorer (PFR). Rapportens syfte är att direkt jämföra de två reaktorkonfigurationerna, PFR och CSTR, med samma substratblandning. Båda reaktortyperna drevs med samma belastning (5,2 g VS/L dag), hydraulisk retentionstid (30 dagar) och driftstemperatur (520C). Två PFR-reaktorer drevs med återcirkulation av rötrester. Under projektets gång mättes olika parametrar, vilka var: pH, total gasvolym och gassammansättning, FOS/TAC (organiska syror/alkalinitet), flyktiga fettsyror (VFA), ammonium-kvävekoncentration och TS (torrsubstanshalt) och VS (organiska ämnen).

Studieresultatet var uppdelat i två sektioner. Avsnitt 1 sammanfattar uppstartsperioden, där alla tre CSTR (D1-R, D2-NR och C1-NR) kördes i icke-återcirkulerande läge. Uppstartsperioden gjordes för att säkerställa reaktorernas stabilitet och det gällde att uppnå en liknande baslinje för detektion. Inom studien accepterades avvikelser för baslinjen inom intervallet 0-5%. För uppstartsperioden varierade den specifika metanproduktionen med 2 % mellan D1-NR och D2-R, D1-R och C1-NR med 6 %, och D2-NR och C1-NR med 8 %. För ammoniak-koncentrationen var skillnaden mellan D1-R och D2-NR 2 % och mellan D1-R och C1-NR 9 %, mellan D2-NR och C1-NR, 7%. Med dessa variationer togs beslutet att utesluta reaktor C1-NR från den experimentella perioden för projektet.

Avsnitt 2 jämför PFR och CSTR återcirkulerat/icke återcirkulerat läge. En CSTR drevs med 30 % återcirkulation av rötrest och en CSTR drevs i icke-återcirkulationsläge. Att jämföra PFR och CSTR återcirkulerat/icke återcirkulerat läge visade att PFR:erna övervann båda CSTR:erna när det gäller den specifika metanproduktionen. Där PFR producerade 395±93 NL/KgVS och 372±42 (N)L/KgVS CSTR med återcirkulation 280±10 (N)L/KgVS och den icke-återcirkulerade CSTR producerade 250±7 (N)L/KgVS. NH4+-N-nivåerna mellan PFR och CSTR visade en skillnad på 1 g/L, där PFR var den med högre NH4+-N (2,53±0,39 g/L för PFR-A och 2,73±0,43 g/L för PFR-T). En av skillnaderna mellan de återcirkulerade och de icke-återcirkulerade CSTR:erna var VFA-koncentrationen. VFA-koncentrationen i de återcirkulerade var 1,05±0,90 g/L och 0,43±0,25 g/L i de icke-återcirkulerade. VFA-koncentrationen för PFR var i genomsnitt 0,28±0,12 g/L och 0,40 ±0,16 g/L. Graden av nedbrytning i CSTRs var 90-91%, och 63-65% i PFR. Den är möjligen felberäknad och visar en inkonsekvens mellan reaktorernas prestanda och specifik metanproduktion.

Abstract [en]

The use of municipal waste to produce renewable energy, in the form of biogas, fulfils eight of Sweden's sixteen environmental quality objectives. The most common technology to produce biogas is anaerobic digestion (AD). Two common types of AD processes are continuously stirred reactors (CSTR) and plug flow reactors (PFR). The thesis aims at directly comparing the two reactor configurations using the same substrate mix. For this, two PFRs (PFR-T and PFR-A) and three CSTRs (D1-R, D2-NR and C1-NR) were setup. All reactors were operated at the same organic loading rate (5.2 g VS/L-day), hydraulic retention time (30 days) and operational temperature (52°C). During the project, various parameters were measured to evaluate the reactor performance, such as pH, total gas volume and gas composition, FOS/TAC (organic acids/alkalinity), volatile fatty acids (VFA), ammonium-nitrogen concentration, and solid and volatile solid of digestate.  

The study result was divided into two sections. Section 1 summarises the start-up period (42 days), where the CSTRs and the PFRs were operated under non-recirculation mode. The start-up period was done to ensure the stability of the reactors and was concerned with achieving a similar baseline for performance. For the start-up period, the specific methane production between D1-R and D2-NR varied by 2% while the variation between C1-NR and D2-NR was 8%. Likewise, for the ammonia concentration, the difference between D1-R and D2-NR was 2%, while C1-NR differed by 9% from D2-NR. Based on these findings, the decision was taken to exclude reactor C1-NR from the experimental period of the project. 

Section 2 compares the PFR and CSTR. One CSTR was operated with 30% recirculation of digest, while the other CSTR was operated in non-recirculation mode. The two PFRs were operated with recirculation of digestate. The experiments showed that the PFRs outperformed both CSTRs regarding the specific methane production. The PFRs produced 395±93 (N)L/kg-VS and 372±42 (N)L/kg-VS. In contrast, the CSTR with recirculation reached 280±10 (N)L/kg-VS and the non-recirculated CSTR produced 250±7 (N)L/kg-VS. The NH4+-N levels for the PFRs and CSTRs showed a 1 g/L difference, with a higher value for the PFRs (2.53±0.39 g/L for PFR-A, and 2.73±0.43 g/L for PFR-T). One of the significant differences between the recirculated and the non-recirculated CSTRs was the VFA concentration. The VFA concentration in the recirculated and non-recirculated reactor was 1.05±0.90 g/L and 0.43±0.25 g/L, respectively. The VFA concentration for the two PFRs was on average 0.28±0.12 g/L and 0.40 ±0.16 g/L. The degree of degradation in the CSTRs was 90-91% compared to 63-65% in the PFRs. The degree of degradation is possibly miscalculated and shows an inconsistency between the reactor performance in terms of specific methane production. 

Place, publisher, year, edition, pages
2022.
Series
TRITA-CBH-GRU ; 2022:252
Keywords [en]
Anaerobic digestion, municipal waste, continuous stirred tank reactor, plug flow reactor, biogas
Keywords [sv]
Anaerob rötning, kommunalt avfall, kontinuerlig omrörd tankreaktor, pluggflödesreaktor, biogas
National Category
Chemical Process Engineering Bioprocess Technology Bioenergy
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-320436OAI: oai:DiVA.org:kth-320436DiVA, id: diva2:1705257
External cooperation
SLU, Sveriges lantbruksuniversitet
Subject / course
Chemical Engineering
Educational program
Degree of Master - Chemical Engineering for Energy and Environment
Examiners
Available from: 2022-10-21 Created: 2022-10-21

Open Access in DiVA

fulltext(3992 kB)2947 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 3992 kBChecksum SHA-512
6eb02714b61128a7d09977226419f4b2972ddcbfb89ef2eed0da681a2806f4471a46cef70f5c5b11c38a0283f24e9af0f872e565d589f01b14c70f62b46ac2e8
Type fulltextMimetype application/pdf

By organisation
Chemical Engineering
Chemical Process EngineeringBioprocess TechnologyBioenergy

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 2988 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 341 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf