Technological effectiveness of methane fermentation of prairie cordgrass (Spartina pectinata)

• Autorzy: Dębowski M. , Dudek M. , Zieliński M. , Grala A.

Warianty tytułu

PL

Efektywność technologiczna procesu fermentacji metanowej spartiny preriowej (Spartina pectinata)

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This study was aimed at identifying the feasibility of using prairie cordgrass (Spartina pectinata) in processes of methane fermentation. Effectiveness of the anaerobic process including the quantity and composition of biogas produced and reaction kinetics was determined based on respirometric measurements. Fermentation was run under mesophilic conditions at the initial tank loading with a feedstock of organic compounds ranging from 0.5 to 1.5 g o.d.m./dm3 · d. Experiments were divided into two stages, with plant part being the criterion of division. At stage I, model fermentation tanks were fed the assumed quantities of pre-treated aerial part (roof), whereas at stage II - with the underground part (root) of prairie cordgrass. Before the exact process of anaerobic decomposition, the substrate was subject to mechanical disintegration in a ball grinder. For comparative purposes, maize silage (Zea mays) - being the main plant substrate used in agricultural biogas works, was subject to methane fermentation under the same conditions (stage III). The study demonstrated that the effectiveness of the methane fermentation process was directed influenced by the type of substrate tasted. The highest technological effects including biogas production and its qualitative composition were noted in the case of maize silage and the aerial part of prairie cordgrass. Significantly lower effectiveness of production of gaseous metabolites of anaerobes was determined at the stage when the exploited fermentation tanks were fed with biomass of the underground part of test plant. The course and final outcomes of the fermentation process were also directly affected by the applied loading of fermentation tanks with a feedstock of organic matter.

PL

Celem prowadzonych badań było określenie możliwości wykorzystania spartiny preriowej (Spartina pectinata) w procesach fermentacji metanowej. Efektywność procesu beztlenowego, związaną z ilością oraz składem produkowanego biogazu, a także kinetyką reakcji, określono na podstawie pomiarów respirometrycznych. Fermentacja przebiegała w warunkach mezofilowych przy początkowym obciążeniu komory ładunkiem związków organicznych w zakresie od 0,5 do 1,5 g s.m.o./dm3 · d. Doświadczenia podzielono na dwa etapy, których kryterium podziału była wykorzystana część testowanej rośliny. W etapie I do modelowych komór fermentacyjnych wprowadzono założone ilości wstępnie przygotowanej części nadziemnej, natomiast w etapie II analizowano możliwość wykorzystania części podziemnej Spartiny preriowej. Przed właściwym procesem beztlenowego rozkładu substrat został poddany mechanicznemu rozdrobnieniu w młynie kulowym. W celu porównawczym w tych samych warunkach technologicznych prowadzono proces fermentacji metanowej kiszonki kukurydzy (Zea mays), jako podstawowego substratu roślinnego stosowanego w systemach biogazowni rolniczych (etap III). W trakcie badań stwierdzono, iż efektywność procesu fermentacji metanowej była bezpośrednio uzależniona od rodzaju testowanego substratu. Największe efekty technologiczne związane z produkcją biogazu oraz jego składem jakościowym stwierdzono w przypadku testowania kiszonki kukurydzy oraz części nadziemnej Spartiny preriowej. Istotnie niższą wydajność wytwarzania gazowych produktów metabolizmu bakterii beztlenowych zanotowano w etapie, w którym do eksploatowanych komór fermentacyjnych dozowano część podziemną testowanej biomasy roślinnej. Bezpośredni wpływ na przebieg oraz efekty końcowe procesu miało również testowane obciążenie komór ładunkiem suchej masy organicznej.

Słowa kluczowe

EN

Spartina pectinata; anaerobic process; biogas; methane fermentation; renewable energy

PL

Sparina pectinata; proces beztlenowy; biogaz; fermentacja metanowa; energia odnawialna

• Wydawca: Towarzystwo Chemii i Inżynierii Ekologicznej
• Czasopismo: Proceedings of ECOpole
• Rocznik: 2013
• Tom: Vol. 7, No. 1
• Strony: 49--58
• Opis fizyczny: Bibliogr. 18 poz., tab., wykr.

Twórcy

autor

Dębowski M.

• Department of Environmental Engineering, Faculty of Environmental Sciences, University of Warmia and Mazury in Olsztyn, ul. Warszawska 117, 10-719 Olsztyn, phone [phone], fax [phone]

autor

Dudek M.

• Department of Environmental Engineering, Faculty of Environmental Sciences, University of Warmia and Mazury in Olsztyn, ul. Warszawska 117, 10-719 Olsztyn, phone [phone], fax [phone]

autor

Zieliński M.

• Department of Environmental Engineering, Faculty of Environmental Sciences, University of Warmia and Mazury in Olsztyn, ul. Warszawska 117, 10-719 Olsztyn, phone [phone], fax [phone]

autor

Grala A.

• Department of Environmental Engineering, Faculty of Environmental Sciences, University of Warmia and Mazury in Olsztyn, ul. Warszawska 117, 10-719 Olsztyn, phone [phone], fax [phone]

Bibliografia

• [1] Beale CV, Long SP. Seasonal dynamics of nutrient accumulation and partitioning in the perennial c4-grasses Miscanthus giganteus and Spartina cynosuroides. Biomass and Bioenergy. 1997;12(6):419-428. DOI:10.1016/S0961-9534(97)00016-0.
• [2] Dębowski M, Dudek M, Zieliński M, Grala A. Effectiveness of methane fermentation of Virginia Fanpetals (Sida hermaphrodita Rusby) under mesophilic conditions. Ecol Chem Eng A. 2012;19(11):1445-1453. DOI: 10.2428/ecea.2012.19(11)140.
• [3] Bauer A, Leonhartsberger Ch, Bösch P, Amon B, Friedl A, Amon T. Analysis of methane yields from energy crops and agricultural by-products and estimation of energy potential from sustainable crop rotation systems in EU-27. Clean Techn Environ Policy. 2010;12:153-161. DOI: 10.1007/s10098-009-0236-1.
• [4] Zhi Y, Li H, An S, Zhao L, Zhou C, Deng Z. Inter-specific competition: Spartina alterniflora is replacing Spartina anglica in coastal China. Estuarine, Coastal and Shelf Sci. 2007;74:437-448. DOI: 10.1016/j.ecss.2007.04.026.
• [5] Lu J, Zhang Y. Spatial distribution of an invasive plant Spartina alterniflora and its potential as biofuels in China. Ecol Eng. 2013;52:175-181. DOI: 10.1016/j.ecoleng.2012.12.107.
• [6] Qin P, Xie M, Jiang Y, Chung CH. Estimation of the ecological-economic benefits of two Spartina alterniflora plantations in North Jiangsu. China Ecol Eng. 1997;8:5-17. DOI: 10.1016/S0925-8574(96)00227-3.
• [7] Chung CH. Forty years of ecological engineering with Spartina plantations in China. Ecol Eng. 2006;27:49-57. DOI: 10.1016/j.ecoleng.2005.09.012.
• [8] Wan S, Qin P, Liu J, Zhou H. The positive and negative effects of exotic Spartina alterniflora in China. Ecol Eng. 2009;35:444-452. DOI: 10.1016/j.ecoleng.2008.05.020.
• [9] Qin P, Xie M, Jiang Y. Spartina green food ecological engineering. Ecol Eng 1998;11:147-156. DOI: 10.1016/S0925-8574(98)00030-5.
• [10] Chen G, Zheng Z, Yang S, Fang C, Zou X, Zhang J. Improving conversion of Spartina alterniflora into biogas by co-digestion with cow feces. Fuel Process Technol. 2010;91:1416-1421. DOI: 10.1016/j.fuproc.2010.05.015.
• [11] Liang Y, Zheng Z, Luo X, Si Y, Cao D, Nie E, Cheng B. Lime pretretment to improve methane production of smooth cordgrass (Spartina alterniflora). Chem Eng J. 2013;217:337-344. DOI: 10.1016/j.cej.2012.11.135.
• [12] Yang S, Li J, Zheng Z, Meng Z. Characterization of Spartina alterniflora as feedstock for anaerobic digestion. Biomass and Bioenergy. 2009;33:597-602. DOI: 10.1016/j.biombioe.2008.09.007.
• [13] Liang Y, Zheng Z, Hua R, Luo X. A preliminary study of simultaneous lime treatment and dry digestion of smooth cordgrass for biogas production. Chem Eng J. 2011;174:175-181. DOI: 10.1016/j.cej.2011.08.071.
• [14] Liang Y, Zheng Z, Luo XZ, Guo F-H, Wang L, Zhang J. Effect of mesophilic and thermophilic conditions on changes of physicochemical characteristics of smooth cordgrass via dry digestion process. Chem Eng J. 2011;168:544-552. DOI: 10.1016/j.cej.2011.01.020.
• [15] Cybulska I, Brudecki G, Rosentrater K, Lei H, Julson J. Catalyzed modified clean fractionation of prairie cordgrass integrated with hydrothermal post-treatment. Biomass and Bioenergy. 2012;46:389-401. DOI: 10.1016/j.biombioe.2012.08.002.
• [16] Yang S, Li J, Zheng Z, Meng Z. Lignocellulosic structural changes of Spartina alterniflora after anaerobic mono- and co-digestion. Int Biodeterior Biodegrad. 2009;63:569-575. DOI: 10.1016/j.ibiod.2009.02.007.
• [17] Nassab ADM, Amon T, Kaul HP. Competition and yield in intercrops of maize and sunflower for biogas. Ind Crop Prod. 2011;34(1):1203-1211. DOI: 10.1016/j.indcrop.2011.04.015.
• [18] Weiland P. Production and energetic use of biogas from energy crops and wastes in Germany. Appl Biochem Biotech. 2003;109:263-274. DOI: 10.1385/ABAB:109:1-3:263.