Effect of sewage sludge on the yield and energy value of the aboveground biomass of Jerusalem artichoke (Helianthus tuberosus L.)

• Autorzy: Szostek M. , Kaniuczak J , Hajduk E. , Stanek-Tarkowska J. , Jasiński T. , Niemiec W. , Smusz R.

Identyfikatory

DOI

10.24425/122285

Warianty tytułu

PL

Wpływ osadów ściekowych na plonowanie i wartość energetyczną nadziemnej biomasy topinamburu (Helianthus tuberosus L.)

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The sewage treatment process is inherently associated with formation of sewage sludge, which has to be managed properly due to its properties. The paper presents a possibility of application of sewage sludge in the cultivation of Jerusalem artichoke as an energy crop. The experiment consisted in single application of sewage sludge pads with varied thickness under the sod-humic horizon of silty fallow soil. Physicochemical and chemical analyses of the sewage sludge and soil treated with the pads were carried out in accordance with legal guidelines. The results of the experiment were compared with the control, i.e. an object without the application of the sewage sludge pad. The paper presents the effect of the addition of sewage sludge on the yield and energy parameters (moisture and ash content, HHV, LHV) in the aboveground biomass of Jerusalem artichoke. The content of moisture and ash as well as HHV and LHV, i.e. biofuel parameters, were determined in accordance with Polish Standards. It was found that the yield of aboveground biomass of Jerusalem artichoke increased with the thickness of the sewage sludge pads and the yield potential of this plant increased with years. Additionally, the aboveground Jerusalem artichoke biomass was characterized by generally favorable energy parameters of biofuels, e.g. low moisture or ash content. The investigations have demonstrated that the application of sewage sludge can be a good alternative to mineral fertilization of energy crops.

PL

Proces oczyszczania ścieków nieodzownie związany jest z powstawaniem osadów ściekowych, które ze względu na swoje właściwości muszą być odpowiednio zagospodarowane. W pracy przedstawiono możliwość zastosowania osadów ściekowych w uprawie topinamburu, jako rośliny energetycznej. W doświadczeniu zastosowano osady ściekowe w formie wkładek o zróżnicowanej miąższości, aplikowane jednorazowo pod poziom darniowo-próchniczy gleby pyłowej. Analizy fizykochemiczne i chemiczne osadów ściekowych oraz gleby, na której zostały zastosowane, przeprowadzono zgodnie z wytycznymi uwzględnionymi w przepisach prawnych. Rezultaty otrzymanych wyników badań porównywano z kontrolą-bez wkładki osadów ściekowych. W pracy przedstawiono wpływ osadów ściekowych na plon oraz parametry energetyczne (zawartość wilgoci, popiołu, HHV, LHV) nadziemnej biomasy topinamburu. Zawartość wilgoci, popiołu oraz HHV i LHV, jako parametrów charakteryzujących biopaliwa, oznaczono zgodnie z Polskimi Normami. Stwierdzono, że plon nadziemnej biomasy topinamburu wzrastał wraz z miąższością zastosowanych wkładek osadów ściekowych, a potencjał plonotwórczy tej rośliny wzmagał się w latach badań. Ponadto stwierdzono, że nadziemna biomasa topinamburu charakteryzowała się generalnie korzystnymi parametrami energetycznymi, charakteryzującymi biopaliwa, takimi jak m.in. niska zawartość wilgoci czy popiołu. Na podstawie przeprowadzonych badań stwierdzono, że zastosowanie osadów ściekowych może być dobrą w stosunku do nawożenia mineralnego alternatywą, w nawożeniu roślin energetycznych.

Słowa kluczowe

EN

sewage sludge; biomass; energy value; Jerusalem artichoke

PL

osad ściekowy; biomasa; wartość energetyczna; słonecznik bulwiasty

• Wydawca: Institute of Environmental Engineering, Polish Academy of Sciences
• Czasopismo: Archives of Environmental Protection
• Rocznik: 2018
• Tom: Vol. 44, no. 3
• Strony: 42--50
• Opis fizyczny: Bibliogr. 44 poz., tab., wykr.

Twórcy

autor

Szostek M.

• University of Rzeszow, Poland, Department of Soil Science, Environmental Chemistry and Hydrology

autor

Kaniuczak J

• University of Rzeszow, Poland, Department of Soil Science, Environmental Chemistry and Hydrology

autor

Hajduk E.

• University of Rzeszow, Poland, Department of Soil Science, Environmental Chemistry and Hydrology

autor

Stanek-Tarkowska J.

• University of Rzeszow, Poland, Department of Soil Science, Environmental Chemistry and Hydrology

autor

Jasiński T.

• Rzeszow University of Technology, Poland, Department of Physics and Medical Engineering

autor

Niemiec W.

• Rzeszow University of Technology, Poland, Department of Physics and Medical Engineering

autor

Smusz R.

• Rzeszow University of Technology, Poland, Department of Physics and Medical Engineering

Bibliografia

• 1. Chen, L., Long, X., Zhang, Z., Zheng, X., Rengel, Z. & Liu, Z. (2011). Cadmium accumulation and translocation in two Jerusalem Artichoke (Helianthus tuberosus L.) cultivars, Pedosphere, 21(5), pp. 573-580.
• 2. Chołuj, D., Podlaski, S., Wiśniewski, G. & Szmalec, J. (2008). A comprehensive assessment of biological suitability seven plant species used for energy purposes, Studia i Raporty IUNG-PIB, 11, pp. 81-99. (in Polish)
• 3. Czeczko, R. (2011). Comparison of degree of hydration of different parts of Helianthus tuberosus in terms of their usefulness as biofuel, Ochrona Środowiska i Zasobów Naturalnych, 49, pp. 521-524. (in Polish)
• 4. Decer, S.R., Sheehan, J., Dayton, D.C, Joseph, J., Bozell, J.J, Adney, W.S., Hames, B., Thomas, S.R., Bain, R.L., Czernik, S., Zhang, M. & Himmel, M.E. (2012). Biomass conversion, In: Handbook of Industrial Chemistry and Biotechnology, Kent, J.A. (Ed.) Springer Science + Business Media, New York 2012, pp. 1249-1322.
• 5. Directive 2008/98/EC of the European Parliament and the Council of November 2008 on waste and repealing certain directives (Waste framework directive, R1 formula in footnote of attachment II).
• 6. Gizińska-Górna, M., Czekała, W., Jóźwiakowski, K., Lewicki, A., Dach, J., Marzec, M., Pytka, A., Janczak, D., Kowalczyk-Juśko, A. & Listosz, A. (2016). The possibility of using plants from hybrid constructed wetland wastewater treatment plants for energy purposes, Ecological Engineering, 95, pp. 534-541.
• 7. Gizińska-Górna, M., Janczak, D., Kowalczyk-Juśko, A, Jóźwiakowski, K., Lewicki, A., Marzec, M., Pytka, A., Czekała, W. & Listosz, A. (2017). The parameters of energy biomass plants from hybrid constructed wetland wastewater treatment plants. 3rd International Conference on Energy and Environment: bringing together Engineering and Economics, Porto, Portugal, pp. 97-102.
• 8. Faber, A., Stasiak, M. & Kuś, J. (2007). Preliminary evaluation of productivity of the selected energy crops, Postępy w Ochronie Roślin, 47(4), pp. 339-346. (in Polish)
• 9. Kacprzak, M., Neczaj, E., Fijałkowski, K., Grobelak, A., Grosser,, Worwag, M., Rorat, A., Brattebo, H., Almas, A. & Singh,R. (2017). Sewage sludge disposal strategies for sustainable development, Environmental Research, 156, pp. 39-46.
• 10. Kaniuczak, J., Niemiec, W., Właśniewski, S., Zamorska, J., Jasiński, T. & Hajduk, E. (2005 a). Selected properties of sewage sludge applied for agromelioration of sandy fallow land, in: Chosen aspects of organic wastes utilizing and energetic willow biomass production. (Eds.)
• 11. Kaniuczak, J., Hajduk, E., Błażej, J., Niemiec, W. & Jasiński, T. (2005 b). Selected physico-chemical and chemical properties of sandy fallow land before agromelioration with sewage sludge, in: Chosen aspects of organic wastes utilizing and energetic willow biomass production, Kaniuczak, J., Kostecka, J. & Niemiec, W. (Eds.). 2005, pp. 79-100. (in Polish)
• 12. Kaniuczak, J., Hajduk, E., Zamorska, J. & Ilek, M. (2009). Characteristic of investigated sewage sludge on score usability to natural utilization, Zeszyty Naukowe Polskiego Towarzystwa Inżynierii Ekologicznej. i Polskiego Towarzystwa Gleboznawczego z siedzibą w Rzeszowie, 11, pp. 89-94. (in Polish)
• 13. Kloc, J. & Karcz, J. (2013). The properties of biomass used in the power industry, Inżynieria i Aparatura Chemiczna, 52, 5, pp. 435-436. (in Polish)
• 14. Kołodziej, B., Wiśniewski, J. & Bielińska, E. (2010). The effect of using sewage sludge in Jerusalem artichoke culture for energetic purposes, Zeszyty Problemowe Postępów Nauk Rolniczych, 556, pp. 407-413. (in Polish)
• 15. Komorowicz, M., Wróblewska, H. & Pawłowski, J. (2009). Chemical composition and energetic properties of biomass from selected renewable resources, Ochrona Środowiska i Zasobów Naturalnych, 40, pp. 402-410.
• 16. Koncewicz-Baran, M., Gondek, K. & Korol, J. (2014). Influence of biological and thermal transformed sewage sludge application on manganese content in plants and soil, Inżynieria Ekologiczna, 37, pp. 17-30. (in Polish)
• 17. Kowalczyk-Juśko, A. (2003). Jerusalem artichoke, in: Energetic Plants, Kościk, B. (Ed.) Wydawnictwo Akademii Rolniczej w Lublinie, Lublin 2003, pp. 96-106. (in Polish)
• 18. Kowalczyk-Juśko, A. (2009). Ash from different energy crops, Proceedings of ECOpole, 3, 1, pp. 159-164. (in Polish)
• 19. Kowalczyk-Juśko, A., Joźwiakowski, K., Gizińska, M. & Zarajczyk, J. (2012). Jerusalem artichoke (Helianthus tuberosus L.) as renewable energy raw material. TEKA, Commission off Motorization and Energetics in Agriculture, 12, 2, pp. 117-121.
• 20. Kowalczyk-Juśko, A., Kupryaniuk, K., Oniszczuk, T., Janczak, D., Smurzyńska A., Jóźwiakowski, K. & Czechlowski, M. (2017). Applicability of Jerusalem artichoke in agricultural biogas plants as maize silage alternative. 3rd International Conference on Energy and Environment: bringing together Engineering and Economics, Porto, Portugal, pp. 91-96.
• 21. Kowalczyk-Juśko, A. (2017). The influence of the ash from the biomass on the power boiler pollution, Journal of Ecological Engineering, 18, 6, pp. 200-204.
• 22. Krzywy, E., Wołoszyk, Cz., Iżewska, A. & Krzywy-Gawrońska, E. (2011). Natural management of sewage sludge, in: Natural Waste Use. Theoretical and practical basics, Baran, S., Łabętowicz, J. & Krzywy, E. (Eds.), Powszechne Wydawnictwo Rolnicze i Leśne, Warszawa 2011, pp. 212-246. (in Polish)
• 23. Law Gazette 2002 no 134 item 1140. Regulation of the Minister of the Environment of 1 August 2002 on municipal sewage sludge.
• 24. Lisowski, J. & Porwisiak, H. (2010). Influence of sludge fertilization on yield of Miscanthus (Miscanthus giganteus), Fragmenta Agronomica, 27(4), pp. 94-101. (in Polish)
• 25. Maj, G. (2015). Diversification and environmental impact assessment of plant biomass energy use, Polish Journal of Environmental Studies, 24, 5, pp. 2055-2061.
• 26. Niedziółka, I. & Zuchiniarz, A. (2006). An energetic analysis of selected plant biomass samples, Motrol Motorization and Power Industry in Agriculture, 8A, pp. 232-237. (in Polish)
• 27. Niemiec, W., Sobolewska, P. & Jasiński, T. (2007). On some selected ways of natural utilisation of sewage sediment, Zeszyty Naukowe Politechniki Rzeszowskiej, 240, Budownictwo i Inżynieria Środowiska, 42, pp. 63-71. (in Polish)
• 28. Polish Standards (1980), Solid mineral fuels - Determination of moisture content, PN-80/G-04511. (in Polish)
• 29. Polish Standards (2002a), Solid mineral fuels - Determination of ash content, PN-80/G-04512: 1980/ Az1 (2002). (in Polish)
• 30. Polish Standards (2002b), Solid mineral fuels - Determination of gross calorific value by the bomb calorimetric method, and calculation of net calorific value, PN-ISO 1928 (2002). (in Polish)
• 31. Piskier, T. (2009). Jerusalem artichoke energy potential, Problemy Inżynierii Rolniczej, 1, pp. 133-136. (in Polish)
• 32. Postrzednik, S. (2011). Analysis of parameters influencing the energetic usefulness of fuels, Energetyka, 7 (685), pp. 395-398.
• 33. Prośba-Białczyk, U. (2007). Productivity of Jerusalem Artichoke (Helianthus tuberosus L.) cultivated without fertilization, Fragmenta Agronomica, XXIV, 4(96), pp. 106-112.
• 34. Rodrigues, M.A., Sousa, L., Cabanas, J.E. & Arrobas, M. (2007). Tuber yield and leaf mineral composition of Jerusalem artichoke (Helianthus tuberosus L.) grown under different cropping practices, Spanish Journal of Agricultural Research, 5(4), pp. 545-553.
• 35. Sawicka, B. & Kalembasa, D. (2008). Variability in macroelement content in tubers of Halianthus tuberosus L. at different nitrogen fertilization levels, Acta Scientarium Polonorum, Agricultura, 7(1), pp. 67-82. (in Polish)
• 36. Sawicka, B. & Kalembasa, D. (2013). Assessment of the chemical composition of Jerusalem artichoke (Helianthus tuberosus L.) as energy feedstock, Ecological Chemistry and Engineering A, (6), pp. 689-699.
• 37. Singh, R.P. & Agrawal, M. (2007). Effects of sewage sludge amendment on heavy metal accumulation and consequent responses of Beta vulgaris plants, Chemosphere, 67, 11, pp. 2229-2240.
• 38. Skonecki, S., Gawłowski, S., Potręć, M. & Laskowski, J. (2011). Physical and chemical properties of plant materials used for biofuels production, Inżynieria Rolnicza, 8(133), pp. 253-260. (in Polish)
• 39. Skowera, B. & Puła, J. (2004). Pluviometric extreme conditions in spring season in Poland in the years 1971-2000, Acta Agrophisica, 3(1), 171-177. (in Polish)
• 40. Stolarski, M., Szczukowski, S. & Tworkowski, J. (2008). Biofuels from biomass ofperennial energy crops, Energetyka, 1 (643), 61, pp. 77-80. (in Polish)
• 41. Tworkowski, J. (2012). General characteristics of energy crops, In: Perennial Plants Energy, Szczukowski, S. (Ed.), MULTICO Oficyna Wydawnicza, Warszawa 2012, pp. 6-9. (in Polish)
• 42. Wang, Ch., Hu, X., Chen, M. & Wu, Y. (2005). Total concentrations and fractions of Cd, Cr, Pb, Cu, Ni and Zn in sewage sludge from municipal and industrial wastewater treatment plants, Journal of Hazardous Materials, B119, pp. 245-249.
• 43. Wang, X., Chen, T., Ge, Y. & Jia, Y. (2008). Studies on land application of sewage sludge and its limiting factors, Journal of Hazardous Materials, 160, pp. 554-558.
• 44. Wróblewska, H., Komorowicz, M., Pawłowski, J. & Cichy, W. (2009). Chemical and energetical properties of selected lignocellulosic raw materials, Folia Forestalia Polonica, Series B, Issue 40, pp. 67-78.

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2019).