Implementation of solidified carbon dioxide to anaerobic co-digestion of municipal sewage sludge and orange peel waste

• Autorzy: Szaja Aleksandra , Bartkowska Izabela

Identyfikatory

DOI

10.24425/aep.2024.149433

Warianty tytułu

PL

Zastosowanie zestalonego ditlenku węgla w procesie współfermentacji osadów ściekowych i opadów cytrusowych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

PL

W przeprowadzonych badaniach zaproponowano zastosowanie niskotemperaturowej obróbki wstępnej z wykorzystaniem zestalonego ditlenku węgla (SCO2 ) w celu przezwyciężenia trudności związanych z dwuskładnikową fermentacją odpadów odpadów cytrusowych (OPW) i komunalnych osadów ściekowych (SS). Przeprowadzono dwa eksperymenty, w pierwszym zbadano wpływ zastosowania SCO2 na właściwości mieszaniny OPW i SS. W drugim przeprowadzono fermentację mezofilową w układzie porcjowym. Uzyskane wyniki wykazały, że zastosowanie SCO2 spowodowało wzrost zawartości rozpuszczonej materii organicznej wyrażonej jako sChZT i DOC oraz spadek zawartości limonenu. Uzyskany korzystny efekt w obecności SCO2 spowodował poprawę produkcji zarówno biogazu, jak i metanu. W tym przypadku uzyskano również korzystny wpływ na kinetykę produkcji metanu. Wydajność produkcji biogazu i metanu wyniosła odpowiednio 576±17,8 i 358±19,1 mL/ g smo. Z kolei, w reaktorze kontrolnym, w którym przeprowadzono fermentację osadów ściekowych wskaźniki te osiągnęły wartości odpowiednio 496±11,4 i 317±13,4 mL/ g smo. Dodatkowo, w przypadku zastosowania SCO2 uzyskano wyższy stopień przefermentowania oraz stabilny przebieg procesu. Z kolei, w przypadku fermentacji dwuskładnikowej OPW i SS nie poddanej wstępnej obróbce w porównaniu do próby kontrolnej odnotowano zmniejszoną produkcję metanu oraz negatywny wpływ na stabilność procesu. Zaproponowana niskotemperaturowa obróbka wstępna z wykorzystaniem zestalonego ditlenku węgla stanowi przełom w badaniach w zakresie zastosowania odpadów cytrusów w procesach beztlenowych, umożliwiając ich efektywne zagospodarowanie z produkcją energii.

Słowa kluczowe

EN

kinetics; limonene; biogas production; pre-treatment; citrus wastes; solidified carbon dioxide

PL

zestalony ditlenek węgla; odpady cytrusowe; produkcja biopaliw; biopaliwo; osady ściekowe

• Wydawca: Institute of Environmental Engineering, Polish Academy of Sciences
• Czasopismo: Archives of Environmental Protection
• Rocznik: 2024
• Tom: Vol. 50, no 1
• Strony: 72--79
• Opis fizyczny: Bibliogr. 32 poz., tab., wykr.

Twórcy

autor

Szaja Aleksandra

• Lublin University of Technology, Faculty of Environmental Engineering, Lublin, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-5007-5145+

autor

Bartkowska Izabela

• Bialystok University of Technology, Department of Water Supply and Sewage Systems,Faculty of Civil Engineering and Environmental Sciences, Poland

Bibliografia

• 1. Alharbi, M., Alseroury, F. & Alkthami, B. (2023). Biogas Production from Manure of Camel and Sheep Using Tomato and Rumen as Co-Substrate. Journal of Ecological Engineering, 24(11), pp. 54–61. DOI:10.12911/22998993/170984
• 2. Archana, K., Visckram, A., Senthil Kuma, P., Manikandan, S., Saravanan, A. & Natrayan, L. (2024). A review on recent technological breakthroughs in anaerobic digestion of organic biowaste for biogas generation: Challenges towards sustainable development goals. Fuel, 358, 130298. DOI:10.1016/j.fuel.2023.130298
• 3. Awasthi, M.K., Lukitawesa, L., Duan, Y., Taherzadeh, M.J. & Zhang, Z. (2022). Bacterial dynamics during the anaerobic digestion of toxic citrus fruit waste and semi-continues volatile fatty acids production in membrane bioreactors. Fuel, 319, 123812. DOI:10.1016/j.fuel.2022.123812
• 4. Bouaita, R., Derbal, K., Panico, A., Iasimone, F., Pontoni, L., Fabbricino, M. & Pirozzi, F. (2022). Methane production from anaerobic co-digestion of orange peel waste and organic fraction of municipal solid waste in batch and semi-continuous reactors. Biomass and Bioenergy, 160, Volume 160, 106421. DOI:10.1016/j.biombioe.2022.106421
• 5. Calabrò, P.S., Fazzino, F., Sidari, R. & Zema, D.A. (2020). Optimization of orange peel waste ensiling for sustainable anaerobic digestion. Renewable Energy, 154, pp. 849–862. DOI:10.1016/j.renene.2020.03.047
• 6. Fisher, K. & Phillips, C. (2008). Potential antimicrobial uses of essential oils in food: is citrus the answer? Trends in Food Science & Technology, 19, pp. 156–164. DOI:10.1016/j.renene.2020.03.047
• 7. Gani, A., Mamat, R., Sudhakar, K., Rosdi, S.M., & Husin, H. (2023). Biomass and wind energy as sources of renewable energy for a more sustainable environment in Indonesia: A review. Archives of Environmental Protection, pp. 57–69. DOI: 10.24425/aep.2022.142690
• 8. González-Mas, M.C., Rambla, J.L., López-Gresa, M.P., Blázquez, M.A. & Granell, A. (2019). Volatile Compounds in Citrus Essential Oils: A Comprehensive Review. Frontiers in Plant Science, 10, 12. DOI: 10.3389/fpls.2019.00012.
• 9. Grübel, K. & Machnicka, A. (2020) The Use of Hybrid Disintegration of Activated Sludge to Improve Anaerobic Stabilization Process. Ecological Engineering & Environmental Technology, 21, pp. 1–8. DOI:10.12912/23920629/119104.
• 10. Hakimi, M., Manogaran, M., Shamsuddin, R.B., Mohd Johari, S.A., Abdalla, M., Hassan, M. & Soehartanto, T. (2023). Co-anaerobic digestion of sawdust and chicken manure with plant herbs: Biogas generation and kinetic study. Heliyon, 9(6), 17096. DOI:10.1016/j.heliyon.2023.e17096.
• 11. Howel, G., Bennett, C.J. & Materić, D. (2019). A comparison of methods for early prediction of anaerobic biogas potential on biologically treated municipal solid waste. Journal of Environmental Management, 232, pp. 887–894. DOI:10.1016/j.jenvman.2018.11.137.
• 12. Hu, K., Jiang, J., Zhao, Q., Lee, D., Wang, K. & Qiu, W. (2011). Conditioning of wastewater sludge using freezing and thawing: role of curing. Water research, 45 18, pp. 5969–5976. DOI: 10.1016/j.watres.2011.08.064.
• 13. Kazimierowicz, J., Dębowski, M. & Zieliński, M. (2023a). Long-Term Pre-Treatment of Municipal Sewage Sludge with Solidified Carbon Dioxide (SCO2)—Effect on Anaerobic Digestion Efficiency. Applied Sciences, 13, 3075. DOI:10.3390/app13053075.
• 14. Kazimierowicz, J., Dębowski, M., Zieliński, M., Bartkowska, I., Wasilewski, A., Łapiński, D. & Ofman, P. (2023b). The Use of Solidified Carbon Dioxide in the Aerobic Granular Sludge Pre-Treatment before Thermophilic Anaerobic Digestion. Applied Sciences, 13, 7864. DOI: 10.3390/app13137864.
• 15. Meng, Y., Li, Y., Chen, L. & Han, R. (2022). Application of response surface methodology to improve methane production from jerusalem artichoke straw. Archives of Environmental Protection, 48, pp. 70–79. DOI: 10.24425/aep.2022.142691.
• 16. Millati, R., Wikandari, R., Ariyanto, T., Putri, R.U. & Taherzadeh, M.J. (2020). Pretreatment technologies for anaerobic digestion of lignocelluloses and toxic feedstocks. Bioresource Technology, 122998. DOI:10.1016/j.biortech.2020.122998.
• 17. Montusiewicz, A., Lebiocka, M., Rożej, A., Zacharska, E. & Pawłowski, L. (2010). Freezing/thawing effects on anaerobic digestion of mixed sewage sludge. Bioresource Technology, 101 10, pp. 3466–3473. DOI:10.1016/j.biortech.2009.12.125.
• 18. Nazari, L., Yuan, Z., Santoro, D., Sarathy, S.R., Ho, D., Batstone D.J., Xu C.C. & Ray, M.B. (2017). Low-temperature thermal pre-treatment of municipal wastewater sludge: Process optimization and effects on solubilization and anaerobic degradation. Water research, 113, pp. 111–123. DOI: 10.1016/j.watres.2016.11.055.
• 19. Paranjpe, A., Saxena, S. & Jain, P. (2023). A Review on Performance Improvement of Anaerobic Digestion Using Co-Digestion of Food Waste and Sewage Sludge. Journal of Environmental Management, 338, 117733. DOI:10.1016/j.jenvman.2023.117733.
• 20. Phalakornkule, C., Nuchdang, S., Khemkhao, M., Mhuantong, W., Wongwilaiwalin, S., Tangphatsornruang, S., Champreda V., Kitsuwan, J. & Vatanyoopaisarn, S. (2017). Effect of freeze-thaw process on physical properties, microbial activities and population structures of anaerobic sludge. Journal of Bioscience and Bioengineering, 123 , pp. 474–481. DOI:10.1016/j.jbiosc.2016.11.005.
• 21. Pradeshwaran, V., Chen, W., Saravanakumar, A., Suriyaprakash, R. & Selvarajoo, A. (2024). Biocatalyst enhanced biogas production from food and fruit waste through anaerobic digestion. Biocatalysis and Agricultural Biotechnology, 55, 102975. DOI:10.1016/j.bcab.2023.102975.
• 22. Purandare, A., Verbruggen, W. & Vanapalli, S. (2023). Experimental and Theoretical Investigation of the Dry Ice Sublimation Temperature for Varying Far-Field Pressure and CO2 Concentration. International Communications in Heat and Mass Transfer, 148, 107042. DOI:10.1016/j.icheatmasstransfer.2023.107042
• 23. Rokaya, B., Kerroum, D., Hayat, Z., Panico, A., Ouafa, A., & Pirozzi, F. (2019). Biogas production by an anaerobic digestion process from orange peel waste and its improvement by limonene leaching: Investigation of H2O2 pre-treatment effect. Energy Sources Part A-recovery Utilization and Environmental Effects, pp. 1–9. DOI:10.1080/15567036.2019.1692975.
• 24. Ruiz, B. & Flotats, X. (2014). Citrus essential oils and their influence on the anaerobic 721 digestion process: an overview. Waste Management, 34(11), pp. 2063–2079. DOI:10.1016/j.wasman.2014.06.026.
• 25. Serrano, A., Siles López, J. A., Chica, A. F., Martín, M. A., Karouach, F., Mesfioui, A. & El Bari, H. (2014). Mesophilic anaerobic co-digestion of sewage sludge and orange peel waste. Environmental Technology, 35(5-8), pp. 898–906. DOI:10.1080/09593330.2013.855822.
• 26. Shitophyta, L. M., Padya, S. A., Zufar, A. F. & Rahmawati, N. (2022). The Impact of Alkali Pretreatment and Organic Solvent Pretreatment on Biogas Production from Anaerobic Digestion of Food Waste. Journal of Ecological Engineering, 23(12), pp. 179–188. DOI:10.12911/22998993/155022.
• 27. Szaja, A, Golianek, P. & Kamiński, M. (2022a). Process Performance of Thermophilic Anaerobic Co-Digestion of Municipal Sewage Sludge and Orange Peel. Journal of Ecological Engineering, 23(8), pp. 66–76. DOI:10.12911/22998993/150613
• 28. Szaja, A., Montusiewicz, A., Pasieczna-Patkowska, S. & Lebiocka, M. (2022b.) Technological and Energetic Aspects of Multi-Component Co-Digestion of the Beverage Industry Wastes and Municipal Sewage Sludge. Energies, 15, 5395. DOI:10.3390/en15155395.
• 29. Wu, D., Li, L., Peng, Y., Yang, P., Peng, X., Sun, Y. & Wang, X. (2021). State indicators of anaerobic digestion: A critical review on process monitoring and diagnosis. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 148, 111260. DOI:10.1016/J.RSER.2021.111260.
• 30. Yousef, A.M., El-Maghlany, W.M., Eldrainy, Y.A. & Attia, A. (2019). Upgrading Biogas to Biomethane and Liquid CO2: A Novel Cryogenic Process. Fuel, 251, pp. 611–628. DOI:10.1016/J.FUEL.2019.03.127.
• 31. Zawieja, I.E. (2019). The Course of the Methane Fermentation Process of Dry Ice Modified Excess Sludge. Archives of Environmental Protection, 45, pp. 50–58. DOI:10.24425/aep.2019.126421.
• 32. Zhang, L., Loh, K.C. & Zhang, J. (2019). Enhanced biogas production from anaerobic digestion of solid organic wastes: Current status and prospects. Bioresource Technology Reports, 5, pp. 280–296. DOI:10.1016/j.biteb.2018.07.005.

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).