Assessment of Different Doses of Sewage Sludge Application on Virginia Fanpetals Biomass Feedstock Production

• Autorzy: Kołodziej Barbara , Antonkiewicz Jacek

Warianty tytułu

PL

Ocena efektów stosowania różnych dawek osadów ściekowych w produkcji biomasy ślazowca pensylwańskiego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The objective of this study was to determine the effect of increasing municipal sewage sludge doses on Sida hermaphrodita Rusby (Virginia fanpetals) yielding and bioenergy feedstock characteristics. In a six-year-lasting field experiment two methods of plantation establishment (by roots cuttings and nurse-in-tray plantlets) and three dates of biomass harvesting (autumn, winter and spring one) were additionally tested in climatic conditions of south-eastern Poland. Virginia fanpetals dry yields increased each year and exceeded 20 Mg ha^-1 in the second year of culture. Application of 40 Mg ha^-1sludge DM resulted in obtaining the highest yield. Similarly the content, uptake and index of bioaccumulation of macronutrients contained in the sludge increased along with increasing its dose. Biomass was characterized by a favorable parameters: net calorific values were in the range of 16.2-16.7 MJ kg^-1. The highest energy value of biomass yield was obtained with root cuttings use for plantation establishment, especially in objects with high dose of sludge during autumn harvest. Both, winter and spring harvesting significantly reduced yields, while using root cuttings for plantation establishment gave better yields only during the first three years of plant vegetation, than biomass yields equalized with the ones obtained by plantlets planting.

PL

Celem badań było określenie wpływu zwiększających się dawek komunalnych osadów ściekowych na plonowanie i cechy jakościowe surowca energetycznego sidy-ślazowca pensylwańskiego (Sida hermaphrodita Rusby). W sześcioletnim doświadczeniu polowym przetestowano dodatkowo dwie metody zakładania plantacji (z sadzonek korzeniowych i rozsady wyprodukowanej w paletach wielokomórkowych) oraz trzy terminy zbioru biomasy (jesienny, zimowy i wiosenny) w warunkach klimatycznych południowo-wschodniej Polski. Plony suchej masy ślazowca pensylwańskiego zwiększały się w kolejnych latach badań przekraczając 20 Mg ha^-1w drugim roku uprawy. Zastosowanie 40 Mg sm osadu ha^-1spowodowało uzyskanie najwyższych plonów biomasy. Notowano również zwiększenie zawartości, pobrania i wartości indeksu bioakumulacji makroelementów zawartych w osadach wraz ze zwiększaniem ich dawki. Biomasa ślazowca charakteryzowała się korzystnymi cechami: jej wartość opałowa mieściła się w przedziale 16,2-16,7 MJ kg^-1. Największą wartość energetyczną plonu biomasy uzyskano przy zastosowaniu sadzonek korzeniowych do zakładania plantacji, zwłaszcza na obiektach z aplikacją wysokich dawek osadu i podczas jesiennych zbiorów biomasy. Zarówno podczas zbioru zimowego, jak i wiosennego notowano istotne zmniejszenie plonów biomasy sidy, a wykorzystanie sadzonek korzeniowych do założenia plantacji wiązało się z lepszym plonowaniem tylko w pierwszych trzech latach wegetacji roślin, w okresie późniejszym plonowanie roślin było podobne jak na obiektach z wysadzaniem rozsady.

Słowa kluczowe

EN

biomass yield; harvest date; municipal sewage sludge; propagation; Sida hermaphrodita Rusby

PL

plony biomasy; termin zbioru; komunalne osady ściekowe; rozmnażanie; Sida hermaphrodita Rusby

• Wydawca: Politechnika Koszalińska
• Czasopismo: Rocznik Ochrona Środowiska
• Rocznik: 2020
• Tom: Tom 22, cz. 1
• Strony: 488--513
• Opis fizyczny: Bibliogr. 50 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Kołodziej Barbara

• University of Life Sciences in Lublin, Poland

autor

Antonkiewicz Jacek

• Agricultural University in Kraków, Poland

Bibliografia

• Augustynowicz, J., Pietkiewicz, S., Kalaji, H.M., Russel, S. (2008). The effect of the EM technology on the physiological parameters of energetic plant Virginia mallow (Sida hermaphrodita (L.) Rusby) fertilized with sewage sludge. Ecol. Techn., 16(5A), 11- 19.
• Barbosa, D., Nabel, M., Jablonowski, N. (2014). Biogas-digestate as nutrient souse for biomass production of Sida hermaphrodita, Zea mays L., and Medicago sativa L. Energy Proc., 59, 120-126.
• Bartoszewicz-Burczy, H. (2012). Biomass potential and its energy utilization in the Central European countries. Energ., 12, 860-866.
• Borkowska, H., Jackowska, I., Piotrowski, J., Styk, B. (2001). Suitability of cultivation of some perennial plant species on sewage sludge. Polish Journal of Environmental Studies, 10(5), 379-381.
• Borkowska, H., Molas, R., Kupczyk, A. (2009). Virginia fanpetals (Sida hermaphrodita Rusby) cultivated on light soil; Yield and biomass productivity. Polish Journal of Environmental Studies, 18, 563-568.
• Borkowska, H., & Molas, R. (2012). Two extremely different crops, Salix and Sida, as sources of renewable energy. Biomass and Bioenergy, 36, 234-240.
• Borkowska, H., & Molas, R. (2013). Yield comparison of four lignocellulosic perennial energy crop species. Biomass and Bioenergy, 51, 145-153.
• Borkowska, H., & Styk, B. (2006). Virginia fanpetals (Sida hermaphrodita L. Rusby) cultivation and utilization. Monograph, WAR Lublin.
• Borkowska, H., & Wardzińska, K. (2003). Some effects of Sida hermaphrodita R. cultivation on sewage sludge. Polish Journal of Environmental Studies, 12, 119-122.
• Borkowska, H. (2005). Changes of dry matter content in Salix viminalis and Sida hermaphrodita yields of biomass depending on harvest date. Annales UMCS sec E., 60, 155-161.
• Borkowska, H. (1991). Study on chosen biology and agrotechnical elements of Virginia fanpetals (Sida hermaphrodita Rusby) as a fodder plant. Rozpr. Nauk, WAR Lublin.
• Casado-Vela, J., Sellés, Navarro, J., Bustamante, M.A., Mataix, J, Guerrero, C., Gomez, I. (2006). Evaluation of composted sewage sludge as nutritional source for horticulturalsoils. Waste Manag., 26, 946-952.
• CEN Solid biofuels. Determination of moisture content – Oven dry method. Part 1: Total moisture – Reference method, EN 14774-1. (2009). Brussels, Belgium: European Committee for Standarization.
• Franzaring, J., Schmid, I., Bäuerle, L., Gensheimer, G., Fangmeier, A. (2014). Investigations on plant functional traits, epidermal structures and the ecophysiology of the novel bioenergy species Sida hermaphrodita Rusby and Silphium perfoliatum L. J. Appl. Bot. Food Quality, 8, 36-45. DOI: 10.5073/JABFQ.2014.087.006.
• von Gehrena, P., Gansbergera, M., Pichlerb, W., Weiglb, M., Feldmeierc, S., Wopienkac, E., Bochmannd, G. (2019). A practical field trial to assess the potential of Sida hermaphrodita as a versatile, perennial bioenergy crop for Central Europe. Biomass and Bioenergy, 122, 99-108. DOI: org/10.1016/j.biombioe.2019.01.004
• Gondek, K., Mierzwa-Hersztek, M., Kopeć, M., Sikora, J., Lošák, T., Grzybowski, P. (2014). Sewage sludge biochar effects on phosphorus mobility in soil and accumulation in plant. Ecological Chemistry and Engineering S., 26, 367-381.
• Igliński, B., Iglińska, A., Kujawski, W., Buczkowski, R., Cichosz, M. (2011). Bioenergy in Poland. Ren. Sust. Energy Rev., 15, 2999-3007.
• IUSS Working Group WRB. (2007). World Reference Base for Soil Resources 2006, first update 2007. World Soil Resources Reports No. 103. FAO, Rome.
• Jadczyszyn, J., Faber, A., Zaliwski, A. (2008). Designation of areas in Poland potentially suitable for growing willow and Virginia mallow for energy purposes. In: Studies and Reports ISSPC-SRI. 11, 55-65.
• Jasinskas, A., Šarauskis, E., Domecka, R. (2014). Technological evaluation of non-traditional energy plant cultivation and utilization for energy purposes in Lithuania. Proc. Int. Con. Agri. Engin, Zurich. 6-10. July 2014, AngEng, Ref: C0281, www.eurageng.eu.
• Jones, J.B., 7 Case, V.W. (1991). Soil testing and plant analysis. 3rd ed. Soil Science Society of America SSSA, 15.
• Kabata-Pendias, A. (2011). Trace Elements in Soils and Plants. 4th ed. by Taylor and Francis Group, LLC.
• Kalembasa D., Wiśniewska B. (2006). The influence of nitrogen doses on the Sida biomass (Sida hermaphrodita Rusby) and the content of soma macroelements. Acta Agroph., 8(1), 127-138.
• Kalembasa, D., Wiśniewska, B. (2008). The influence of nitrogen doses on the content ofCa, Mg, S and Na in biomass of Pensylwania mallow (Sida hermaphrodita Rusby). Acta Agroph., 11(3), 667-675.
• Kołodziej, B., Antonkiewicz, J., Stachyra, M., Bielińska, E., Wiśniewski, J., Luchowska, K., Kwiatkowski, C. (2015). Use of sewage sludge in bioenergy production – A case study on the effects on sorghum biomass production. Europ. J. Agron., 269, 63-74.
• Kołodziej, B., Antonkiewicz, J., Sugier, D. (2016). Miscanthus × giganteus as a biomass feedstock grown on municipal sewage sludge. Ind. Crops Prod., 81, 72-82
• Krzywy-Gawrońska, E. (2012). The effect of industrial wastes and municipal sewage sludge compost on the quality of virginia fanpetals (Sida hermaphrodita Rusby) biomass. Part 1. Macroelements content and their uptake dynamics. Pol. J. Chem. Techn., 14(2), 9-15.
• Kurucz, E., Antal, G., Gábor, F., Popp, J. (2014). Cost-effective mass propagation of Virginia fanpetals (Sida hermaphrodita L. Rusby) from seeds. Environ. Eng. Manag. J., 13(11), 2845-2852.
• Kuś, J., & Matyka, M. (2009). Wydajność wybranych gatunków roślin uprawianych na cele energetyczne w zależności od jakości gleby. Fragm. Agronom., 26(4), 103-110.
• Lewandowski, I., & Heinz, A. (2003). Delayed harvest of miscanthus – influences on biomass quantity and quality and environmental impacts of energy production. Europ. J. Agron., 19, 45-63.
• Matyka, M. (2013). Production and economic aspects of cultivation of perennial plants for energy purposes. Ed. by Institute of Soil Science and Plant Cultivation. State Research Institute in Puławy, 35, 1-93.
• Matyka, M, & Kuś, J. (2018). Influence of soil quality for yield and biometric features of Sida hermaphrodita L. Rusby. Polish Journal of Environmental Studies, 27(6), 2669-2675. DOI: 10.15244/pjoes/80961
• Nabel, M., Barbosa, D.P.B., Horsch, D., Jablonowski, N.D. (2014). Energy crop (Sida hermaphrodita) fertilization using digestate under marginal soil conditions: A doseresponse experiment. Energy Proc., 59, 127-133.
• Nahm, M., & Mohrat, Ch. (2018). Virginia mallow (Sida hermaphrodita (L.) Rusby) as perennial multipurpose crop: biomass yields, energetic valorization, utilization potentials, and management perspectives. GCB Bioenergy, 10(6), 393-404. DOI: 10.1111/gcbb.12501
• Nelson, D.W., & Sommers, L.E. (1975). Determination of total nitrogen in plant material. Agron. J., 65, 109-115.
• Obernberger, I., Bidermann, F., Widmann, W., Riedl, R. (1997). Concentrations of inorganic elements in biomass fuels and recovery in the different ash fractions. Biomass and Bioenergy, 12(3), 211-224.
• Ostrowska, A., Gawliński, S., Szczubiałka, Z. (1991). Methods of analysis and assessment of soil and plant properties. A Catalgoue. Institute of Environmental Protection National Research Institute. Warsaw, 1-334.
• Seleiman, M., Santanen, A., Jaakkola, S., Ekholm, P., Hartikainen, H., Stoddard, F., Mäkelä, P. (2013). Biomass yield and quality of bioenergy crops grown with synthetic and organic fertilizers. Biomass and Bioenergy, 59, 477-485.
• Singh, R.P., & Agrawal, M. (2008). Potential benefits and risks of land application of sewage sludge. Waste Manag., 28(2), 347-358.
• Slepetys, J., Kadziuliene, Z., Sarunaite, L., Tilvikiene, V., Kryzeviciene, A. (2012). Biomass potential of plants grown for bioenergy production. Proc. Intern. Sci. Conf.: Renewable Energy and Energy Efficiency. Jelgava, Latvia, 66-72.
• Soil quality - Sampling - Part 5: Guidance on the procedure for the investigation of urban and industrial sites with regard to soil contamination, (2005). ISO 10381-5. Brussels, Belgium: European Committee for Standarization.
• Soild biofuels – Determination of total content of sulfur and chlorine, (2011). EN 15289. Determination of ash content, 2009. EN 14775. Determination of calorific value, 2009. EN 14918. Brussels, Belgium: European Committee for Standarization.
• Spooner, D.M., Cusick, A.W., Hall, G.F., Baskin, J.M. (1985). Observations on the distribution and ecology of Sida hermaphrodita (L.) Rusby (Malvaceae). Sida, 11, 215-225.
• Strzelczyk, M. (2013). Discharge of biogenic components (N, P) in the yield of biomass of Sida hermaphrodita Rusby irrigated by rural sewerage. Inż. Ekol., 32, 181-186.
• Szempliński, W., Parzonka, A., Sałek, T. (2014). Yield and energy efficiency of biomass production of some species of plants grown for biogas. Acta Sci. Pol., Agricultura, 13(3), 67-80.
• Szyszlak-Bargłowicz, J., & Piekarski, W. (2009). Calorific value of biomass from Virginia fanpetals (Sida hermaphrodita Rusby) stems depending on humidity. Inż. Roln., 8(117), 223-230.
• Szyszlak-Bargłowicz, J. (2014). Content of chosen macroelements in biomass of Virginia mallow (Sida hermaphrodita Rusby). J. Central Europ. Agric., 14(3), 263-272.
• Šiaudinis, G., Jasinskas, A., Šarauskis, E., Steponavičius,E., Karčauskiené, D., Liaudanskiené, I. (2015). The assessment of Virginia mallow (Sida hermaphrodita Rusby) and cup plant (Silphium perfoliatum L.) productivity, physic-mechanical properties and energy expenses. Energy, 93, 606-612. DOI: org/10.1016/j.energy. 2015.09.065
• Usman, K., Khan, S., Ghulam, S., Khan, M.U., Khan, N., Khan, M.A., Khali, S.K. (2012). Sewage sludge: an important biological resource for sustainable agriculture and its environmental implications. Am. J. Plant Sci., 3, 1708-1721.
• Zhao, F.J., Lombi, E., McGrath, S.P. (2003). Assessing the potential for zinc and cadmium phytoremediation with the hyperaccumulator Thlaspi caerulescens. Plant Soil., 249(1), 37-4.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2021).