The effect of fermentation modes on the efficiency of organic waste treatment in batch bioreactors

• Autorzy: Hovorukha Vira

Identyfikatory

DOI

10.24425/aep.2024.14943

Warianty tytułu

PL

Wpływ trybów fermentacji na efektywność oczyszczania odpadów organicznych w bioreaktorach okresowych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

PL

Ilość stałych odpadów organicznych stale rośnie. Jest to spowodowane wzrostem potencjału przemysłowego i rolniczego, a także nieefektywnością istniejących technologii przetwarzania odpadów. Biotechnologie mogą zapewnić skuteczne, przyjazne dla środowiska rozwiązania w zakresie przetwarzania odpadów. Dlatego celem naszej pracy było porównanie efektywności ściśle beztlenowej fermentacji wieloskładnikowych stałych odpadów organicznych z syntezą wodoru i przetwarzania odpadów z pulsacyjnym dostępem powietrza w bioreaktorach okresowych. Podczas fermentacji kontrolowano następujące parametry: pH, potencjał redoks (Eh), stężenie rozpuszczonych substancji organicznych oraz zawartość H2 , O2 i CO2 w fazie gazowej. Efektywność oceniano poprzez czas trwania procesu, obliczenie stosunku początkowej i końcowej masy odpadów (Кd) oraz uzysk wodoru cząsteczkowego. Uzyskane wyniki wykazały wysoką skuteczność degradacji odpadów organicznych w obu wariantach. Masa odpadów zmniejszyła się odpowiednio 83-krotnie i 86-krotnie. Czas fermentacji w warunkach ściśle beztlenowych wynosił 4 dni, natomiast w trybie z pulsacyjnym dostępem powietrza 7 dni. W pierwszym wariancie uzyskano 2,8-krotnie większy uzysk wodoru (54±4,1 L/kg odpadów), w drugim zmniejszono stężenie rozpuszczonych związków organicznych w płynie pofermentacyjnym. Fermentacja jest skuteczną metodą przyspieszonej degradacji stałych odpadów organicznych. Fermentacja ściśle beztlenowa okazała się przydatna w potrzebie przyspieszenia procesu. Tryb z pulsacyjnym dostępem powietrza pozwala nie tylko na degradację odpadów stałych, ale także na oczyszczenie płynu pofermentacyjnego.

Słowa kluczowe

EN

environmental protection; fermentation; green energy; batch bioreactor; multi-component organic waste; environmental biotechnologies

PL

ochrona środowiska; fermentacja; zielona energia; bioreaktor okresowy; odpady organiczne; biotechnologia środowiskowa

• Wydawca: Institute of Environmental Engineering, Polish Academy of Sciences
• Czasopismo: Archives of Environmental Protection
• Rocznik: 2024
• Tom: Vol. 50, no 1
• Strony: 80--86
• Opis fizyczny: Bibliogr. 32 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Hovorukha Vira

• Institute of Environmental Engineering and Biotechnology, University of Opole, Poland
• Department of Extremophilic Microorganisms Biology, D.K. Zabolotny Institute of Microbiology and Virology of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, Ukraine

• https://orcid.org/0000-0003-4265-5534+

Bibliografia

• 1. Akhlaghi, N. & Najafpour-Darzi, Gh. (2020). A Comprehensive Review on Biological Hydrogen Production, International Journal of Hydrogen Energy, 45(43), pp. 22492–22512. DOI:10.1016/j.ijhydene.2020.06.182.
• 2. Alwaeli, M., Alshawaf, M. & Klasik, M., (2022). Recycling of Selected Fraction of Municipal Solid Waste as Artificial Soil Substrate in Support of the Circular Economy, Archives of Environmental Protection, 48(4), pp. 68–77. DOI:10.24425/aep.2022.143710.
• 3. Bakkaloglu, S., Lowry, D., Fisher, R.E., France, J.L., Brunner, D., Chen, H. & Nisbet, E.G. (2021). Quantification of Methane Emissions from UK Biogas Plants, Waste Management, 124, pp. 82–93. DOI:10.1016/j.wasman.2021.01.011.
• 4. Berezkin, V.G. (1983). Chemical Methods in Gas Chromatography. Elsevier, The Netherlands 1983.
• 5. Bernstad, A.K., Cánovas, A. & Valle, R. (2017). Consideration of Food Wastage along the Supply Chain in Lifecycle Assessments: A Mini-Review Based on the Case of Tomatoes, Waste Management & Research, 35(1), pp. 29–39. DOI:10.1177/0734242X16666945.
• 6. Chaijak, P. & Sola, P. (2023). ‘The New Report of Domestic Wastewater Treatment and Bioelectricity Generation Using Dieffenbachia Seguine Constructed Wetland Coupling Microbial Fuel Cell (CW-MFC)’. Archives of Environmental Protection; 2023; 49(1), pp. 57-62. DOI:10.24425/aep.2023.144737.
• 7. Chen, T., Zhang, Sh. & Yuan, Z. (2020). Adoption of Solid Organic Waste Composting Products: A Critical Review, Journal of Cleaner Production, 272, 122712. DOI:10.1016/j.jclepro.2020.122712.
• 8. El Bari, H., Lahboubi, N., Habchi, S., Rachidi, S., Bayssi O., Nabil N., Mortezaei Y. & Villa, R. (2022). Biohydrogen Production from Fermentation of Organic Waste, Storage and Applications, Cleaner Waste Systems, 3, 100043. DOI:10.1016/j.clwas.2022.100043.
• 9. Erdiwansyah, E., Gani, A., Mamat, R., Mahidin, M., Sudhakar, K., Rosdi, S.M. & Husin H. (2022). Biomass and Wind Energy as Sources of Renewable Energy for a More Sustainable Environment in Indonesia: A Review, Archives of Environmental Protection, 48(3), pp. 57–69. DOI:10.24425/aep.2022.142690.
• 10. Erses, A.S., Onay, T.T. & Yenigun, O. (2008). Comparison of aerobic and anaerobic degradation of municipal solid waste in bioreactor landfills, Bioresource technology, 99(13), pp. 5418–5426. DOI:10.1016/j.biortech.2007.11.008.
• 11. Gill, S.S., Jana, A.M. & Shrivastav, A. (2014). Aerobic bacterial degradation of kitchen waste: A review, Journal of microbiology, biotechnology and food sciences, 3(6), pp. 477–483. https://office2.jmbfs.org/index.php/JMBFS/article/view/7661.
• 12. Havryliuk, O., Hovorukha, V., Bida, I., Gladka G., Tymoshenko, A., Kyrylov, S., Mariychuk, R. & Tashyrev O. (2023). Anaerobic Degradation of the Invasive Weed Solidago canadensis L. (Goldenrod) and Copper Immobilization by a Community of Sulfate-Reducing and Methane-Producing Bacteria, Plants, 12(1), pp. 198–213. DOI:10.3390/plants12010198.
• 13. Hovorukha, V., Tashyrev, O., Matvieieva, N., Tashyreva, H., Havryliuk, O., Bielikova O. & Sioma, I. (2019). Integrated Approach for Development of Environmental Biotechnologies for Treatment of Solid Organic Waste and Obtaining of Biohydrogen and Lignocellulosic Substrate, Environmental Research, Engineering and Management, 74(4), pp. 31–42. |DOI:10.5755/j01.erem.74.4.20723.
• 14. Hovorukha, V., Tashyrev, O., Havryliuk, O. & Iastremska, L. (2020). High Efficiency of Food Waste Fermentation and Biohydrogen Production in Experimental-Industrial Anaerobic Batch Reactor, The Open Agriculture Journal, 14(1), pp. 174–186. DOI:10.2174/1874331502014010174.
• 15. Katinas, V., Marčiukaitis, M., Perednis, E. & Dzenajavičienė, E.F. (2019). Analysis of Biodegradable Waste Use for Energy Generation in Lithuania, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 101, pp. 559–567. DOI:10.1016/j.rser.2018.11.022.
• 16. Khan, M.A., Ngo H.H., Guo, W., Liu, Y., Zhang, X., Guo, J., Chang, S.W., Nguyen, D.D. & Wang, J. (2018). Biohydrogen Production from Anaerobic Digestion and Its Potential as Renewable Energy, Renewable Energy, 1st International Conference on Bioresource Technology for Bioenergy, Bioproducts & Environmental Sustainability, 129, pp. 754–768. DOI:10.1016/j.renene.2017.04.029.
• 17. Lim, J.X., Zhou, Y. & Vadivelu, V.M. (2020). Enhanced Volatile Fatty Acid Production and Microbial Population Analysis in Anaerobic Treatment of High Strength Wastewater, Journal of Water Process Engineering, 33, 101058. DOI:10.1016/j.jwpe.2019.101058.
• 18. Marone, A., Izzo, G., Mentuccia, L., Massini, G., Paganin, P., Rosa, S., Varrone, C. & Signorini, A. (2014). Vegetable Waste as Substrate and Source of Suitable Microflora for Bio-Hydrogen Production, Renewable Energy, 68, pp. 6–13. DOI:10.1016/j.renene.2014.01.013.
• 19. Mata-Alvarez, J., Macé, S. & Llabrés P. (2000). Anaerobic Digestion of Organic Solid Wastes. An Overview of Research Achievements and Perspectives, Bioresource Technology, 74(1), pp. 3–16. DOI:10.1016/S0960-8524(00)00023-7.
• 20. Meegoda, J.N., Li, B., Patel, K. & Wang, L.B. (2018). A Review of the Processes, Parameters, and Optimization of Anaerobic Digestion, International Journal of Environmental Research and Public Health, 15(10), 2224. DOI:10.3390/ijerph15102224.
• 21. Parthiba Karthikeyan, O., Trably, E., Mehariya, S., Bernet, N., Wong, J.W.C. & Carrere, H. (2018). Pretreatment of Food Waste for Methane and Hydrogen Recovery: A Review, Bioresource Technology, 249, pp. 1025–1039. DOI:10.1016/j.biortech.2017.09.105.
• 22. Pawnuk, M., Szulczyński, B., den Boer, E. & Sówka I. (2022). Preliminary Analysis of the State of Municipal Waste Management Technology in Poland along with the Identification of Waste Treatment Processes in Terms of Odor Emissions, Archives of Environmental Protection, 48(3), pp. 3–20. DOI:10.24425/aep.2022.142685.
• 23. Rubežius, M., Venslauskas, K., Navickas, K. & Bleizgys R. (2020). Influence of Aerobic Pretreatment of Poultry Manure on the Biogas Production Process, Processes, 8(9), 1109. DOI:10.3390/pr8091109.
• 24. Scarlat, N., Dallemand J.-F. & Fahl F. (2018). Biogas: Developments and Perspectives in Europe, Renewable Energy, 129, pp. 457–472. DOI:10.1016/j.renene.2018.03.006.
• 25. Shimizu, S., Fujisawa, A., Mizuno, O., Kameda, T. & Yoshioka, T. (2008). Fermentative Hydrogen Production From Food Waste Without Inocula, AIP Conference Proceedings, 987(1), pp. 171–174. DOI:10.1063/1.2896968.
• 26. Suslova, O., Govorukha, V., Brovarskaya, O., Matveeva, N., Tashyreva, H. & Tashyrev O. (2014). Method for Determining Organic Compound Concentration in Biological Systems by Permanganate Redox Titration, International Journal Bioautomation, 18(1), pp. 45–52. https://biomed.bas.bg/bioautomation/2014/vol_18.1/files/18.1_05.pdf
• 27. Tashyrev, O., Hovorukha, V., Havryliuk, O., Sioma, I., Gladka, G., Kalinichenko, O., Włodarczyk, P., Suszanowicz, D., Zhuk, H. & Ivanov, Y. (2022). Spatial Succession for Degradation of Solid Multicomponent Food Waste and Purification of Toxic Leachate with the Obtaining of Biohydrogen and Biomethane, Energies, 15(3), 911. DOI:10.3390/en15030911.
• 28. Wang, X. & Zhao Y.-C. (2009). A Bench Scale Study of Fermentative Hydrogen and Methane Production from Food Waste in Integrated Two-Stage Process, International Journal of Hydrogen Energy, 34(1), pp. 245–254. DOI:10.1016/j.ijhydene.2008.09.100.
• 29. Wu, X., Zhu, J., Dong, C., Miller, C., Li Y., Wang, L. & Yao, W. (2009). Continuous Biohydrogen Production from Liquid Swine Manure Supplemented with Glucose Using an Anaerobic Sequencing Batch Reactor, International Journal of Hydrogen Energy, 4th Dubrovnik Conference, 34(16), pp. 6636–6645. DOI:10.1016/j.ijhydene.2009.06.058.
• 30. Xiao, M. & Wu, F. (2014). A Review of Environmental Characteristics and Effects of Low-Molecular Weight Organic Acids in the Surface Ecosystem, Journal of Environmental Sciences, 26(5), pp. 935–954. DOI:10.1016/S1001-0742(13)60570-7.
• 31. Xue, S., Song, J., Wang, X., Shang, Z., Sheng, C., Li, C., Zhu, Y. & Liu, J. (2020). A Systematic Comparison of Biogas Development and Related Policies between China and Europe and Corresponding Insights, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 117, 109474. DOI:10.1016/j.rser.2019.109474.
• 32. Zhang, J., Kan, X., Shen, Y., Loh, K.-C., Wang, C.-H., Dai, Y. & Tong, Y.W. (2018). A Hybrid Biological and Thermal Waste-to-Energy System with Heat Energy Recovery and Utilization for Solid Organic Waste Treatment, Energy, 152, pp. 214–222. DOI:10.1016/j.energy.2018.03.143.

Uwagi

PL

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2024).