Modified configuration for Ductor’s high nitrogen biogas process

Abstract

Biokaasutuotannon lisääminen anaerobisella mädätysmenetelmällä on yksi tapa vähentää kasvihuonepäästöjä. Biokaasutuotanto vähentää orgaanisen jätteen määrää ja muuntaa sen uusiutuvaksi energiaksi. Erityisesti korkean typpipitoisuuden sisältävien syötteiden prosesseja tulisi kehittää, sillä ne sisältävät huomattavaa hyödyntämätöntä potentiaalia.

Tämä opinnäytetyö oli kehitystyö, jonka tavoitteena oli selvittää Ductorin kaksivaiheiselle biokaasutusprosessille kustannustehokkaampi vaihtoehto. Tarkasteltu vaihtoehtoinen prosessi perustui kahden massavirran käyttöön yhdessä reaktorissa. Työssä simuloitiin korkeatyppisen syötteen, eli kananlannan, biokaasutusta laboratoriomittakaavassa. Tavoitteena oli selvittää, miten kananlanta käyttäytyy muunnellussa prosessissa ja onko tämän kaltainen ratkaisu biokaasuprosessissa ylipäätään mahdollinen.

Kirjallisuuskatsauksessa koottiin ensin teoreettinen tausta anaerobiselle mädätykselle, typen aiheuttamalle inhibitiolle ja korkean typpipitoisuuden syötteille. Varsinaisessa tutkimuksessa sovellettiin määrällistä tutkimusta, joka yhdisti laboratoriomittakaavan kokeet ja tilastolliseen data-analyysin. Valitut parametrit analysoitiin kolmen rinnakkaisen toiston menetelmällä tulosten toistettavuuden varmistamiseksi. Saaduista tuloksista analysoitiin keskiarvot ja keskihajonnat ja lisäksi tehtiin vertailevaa suorituskykyanalyysia. Kaikki kokeelliset tulokset tallennettiin ja hallinnoitiin Ductor Oy:n sisäisessä tulostenhallintajärjestelmässä. Näillä menetelmillä selvitettiin metaanin tuotantomääriä uudentyyppisellä prosessiratkaisulla.

Kokeessa todettiin, että muunneltu prosessi oli käyttökelpoinen tutkimuksessa käytetyn kananlannan kanssa. Koska lantojen ominaisuuksissa on suuria eroja, lisätutkimusta kuitenkin tarvitaan. Metaanintuotto sekä liukoisen typen taso ja typen poistuminen vastasivat hyvin kaksivaiheisen prosessin tuloksia. Lämpö- ja energiankulutuksessa ei havaittu merkittäviä eroja. Suurimmat säästöt saavutetaan laitoksen rakennusvaiheessa, koska muunneltu prosessi mahdollistaa reaktorimäärän puolittamisen.

Increasing biogas production through anaerobic digestion is one way to reduce greenhouse gas emissions. Biogas production decreases the amount of organic waste while simultaneously converting it into renewable energy. Processes for substrates with high nitrogen content should be further developed, as they hold considerable untapped potential.

This thesis was a development project aimed at identifying a more cost‑efficient alternative to two‑stage biogas production process in the Finnish biotechnology company Ductor Oy. The alternative process examined in this study was based on operating two mass flows within a single reactor. The biogas production of a high‑nitrogen substrate (chicken manure) was simulated at laboratory scale. The objective was to determine how chicken manure behaves in the modified process and whether such a digestion approach is feasible at all.

A literature review was conducted to compile the theoretical background for anaerobic digestion, nitrogen inhibition, and high‑nitrogen substrates. The study applied a quantitative research design combining laboratory‑scale experiments and statistical data analysis. Selected parameters were analysed in triplicate to ensure reproducibility, and the resulting datasets were processed using mean values, standard deviations, and comparative performance assessment. All experimental data were stored and managed in Ductor’s internal result management system. Using these methods, the study investigated the methane yield achievable with the new process configuration.

The study indicated that the process modification was feasible for the chicken manure used in this study. However, due to the significant variability in manure characteristics, further research is needed. Methane production, soluble nitrogen levels, and nitrogen removal efficiency were found to be comparable to those of the two‑stage process. No major differences were observed in heat or energy consumption. The largest cost savings arise during plant construction, as the modified process enables the number of reactors to be reduced by half.