Możliwość wykorzystania substratów organicznych w procesie fermentacji

• Autorzy: Sadecka Z. , Suchowska-Kisielewicz M.

Warianty tytułu

EN

The Possibility of Using Organic Substrates in the Fermentation Process

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Ocenę podatności odpadów na rozkład biochemiczny można dokonać na podstawie ich właściwości fizyczno-chemicznych. Zalecanym parametrem jest stosunek C/N, oraz dodatkowo BMP (biochemiczny potencjał biogazowy) dla rozkładu beztlenowego oraz AT₄ (test respiracyjny) dla procesów tlenowych. Substratem do produkcji biogazu mogą być odpady komunalne jak i pochodzące z przemysłu rolno-spożywczego. Atrakcyjnym substratem do fermentacji metanowej są również odpady z rolnictwa, w tym z chowu zwierząt. Jednak ich wadą jest konieczność wprowadzenia dodatkowych substratów w celu zapewnienia prawidłowego przebiegu procesu fermentacji. Na przykład pomiot kurzy z uwagi na wysoką zawartość substancji organicznych charakteryzuje się wysoką produkcję biogazu, jednak wysoka zawartość azotu amonowego przyczynia się do inhibicji procesu fermentacji. Fermentacja metanowa pomiotu kurzego wymaga więc zbilansowania stosunku C/N przez wprowadzanie odpowiedniej ilości dodatkowych ko-substratów, bogatych w węgiel organiczny. Ko-substratami tymi mogą być: odpady szklarniowe (łęty pomidorów, ogórków), odpady rolnicze (obierki, wysłodki, melasa), biomasa w tym rośliny energetyczne (kiszonki kukurydzy, traw), frakcja organiczna odpadów komunalnych i osady ściekowe. W artykule przedstawiono wyniki badań dotyczące oceny możliwości wykorzystania wybranych substratów organicznych w procesie fermentacji. Ocenę dokonano na podstawie właściwości fizyczno-chemicznych, stosunku C/N, BMP (biochemiczny potencjał metanowy oraz AT₄ (test respiracji tlenowej). W badaniach stosowano rozdrabniane do wymiarów < 20 mm następujące substraty: kiszonka kukurydzy, podłoże pieczarek, pomiot kurzy, trawa oraz łęty pomidorów. Skład fizyczno-chemiczny oceniano na podstawie następujących parametrów: zawartość suchej masy, suchej masy organicznej (LOI), ChZT, pH, stężenia azotu Kjeldahla, azotu amonowego i fosforu. Podatność tych substratów na biodegradację beztlenową oceniano na podstawie stosunku C/N oraz w teście BMP. W badaniach dodatkowo określano dla substratów podatność na biodegradację tlenową z zastosowaniem testu AT₄. Wyznaczony dla substratów stosunek C/N mieścił się w zakresie od 11 do 57. Najwyższą wartość stosunku C/N uzyskano dla kiszonki kukurydzy. Spośród badanych substratów tylko dla podłoża pieczarek wyznaczony stosunek C/N = 31 był zbliżony do optymalnego zakresu dla fermentacji metanowej. Największą produkcję metanu (320 d³/kg s.m.) w teście BMP uzyskano z rozkładu beztlenowego kiszonki kukurydzy, przy wyznaczonej wartości ilorazu C/N na poziomie 57. Wyniki badań wykazują, że największą wartość AT₄ na poziomie 200 g O₂/kg s.m. uzyskano dla kiszonki kukurydzy, a najniższą 53 g O₂/kg s.m. dla podłoża pieczarek. Dla substratów uzyskano niską korelację między BMP i AT₄ a ilorazem C/N. Uzyskane wartości R² wnosiły kolejno: 0,6 i 0,5. Niskie wartości R² potwierdzają, że iloraz C/N nie jest jednoznacznym parametrem określającym podatność substratów na rozkład biochemiczny, zarówno beztlenowy jak również tlenowy. W przypadku substratów o ilorazie C/N < 20 uzyskiwano wysokie wartości BMP jak i AT₄. Przedstawione w pracy wyniki badań potwierdzone przez innych autorów wskazują, że zarówno BMP jak i AT₄ są odpowiednimi wskaźnikami do oceny podatności substratów na rozkład. Z praktycznego punktu widzenia AT₄ jest bardziej rekomendowany ze względu na krótki czas pomiaru, a zatem powinien być wskaźnikiem wykorzystywanym do oceny podatności substratów również na rozkład beztlenowy.

EN

Evaluation of waste susceptibility on the biochemical decomposition can be made on the basis of their physicochemical properties. The preferred parameter is the ratio of C/N. Additional parameters are: BMP (biochemical methane potential) for anaerobic digestion and AT4 (respiratory test) for aerobic processes. The substrate for biogas production can be both municipal waste and from agricultural and foodstuff industry. Particularly attractive substrate for methane fermentation are the waste from animal husbandry and agriculture. They are characterized a high potential for production of biogas and low purchase price. However, these wastes often requires the fermentation of other substrates. For example, chicken manure due to the high content of organic material has a high biogas production, but a high content of ammonium nitrogen contributes to the inhibition of the fermentation process. Methane fermentation of chicken manure therefore requires balancing the ratio C/N by entering cosubstrates, rich in organic carbon. These co-substrates can be: waste Greenhouse (haulm tomatoes, cucumbers), agricultural wastes (peels, pulp, molasses), biomass, at this energy crops (corn silage, grass), the organic fraction of municipal waste, sewage sludge. The article presents the results of research on the assessment of the possibility of the use of selected organic substrates in the process of fermentation. The evaluation was based on physicochemical properties, the ratio C/N, BMP (biochemical methane potential and AT₄ (test aerobic respiration). In the studies was used shredded to the size of <20 mm the following substrates: maize silage, ground mushrooms, chicken manure, grass and haulm tomatoes. The physico-chemical composition was evaluated based on the following parameters: dry matter, organic dry matter (LOI), COD, pH, Kjeldahl nitrogen, ammonia nitrogen and phosphorus. The susceptibility of these substrates on anaerobic biodegradability was evaluated based on the ratio C/N and BMP test. The study also determined biodegradability of substrates using aerobic test AT₄. The designated for substrates quotient C/N was within the range from 11 to 57. The highest value of the ratio C/N was obtained for corn silage. Among the examined substrates only for ground mushroom designated quotient C/N = 31 was similar to the optimum range for methane fermentation. The highest methane production (320 dm³/kg dm) in the test BMP obtained from the anaerobic digestion of corn silage (ratio C/N value of 57). Studies have shown that the highest value of AT₄ of 200 g O₂/kg dm obtained for corn silage, and the lowest 53 g O₂/kg dm for ground mushrooms. For tested substrates were obtained low correlation between BMP and AT₄ and the quotient C/N. R² values were obtained successively: 0.6 and 0.5. Low values of R² confirm that the quotient C/N is not a good parameter for determining the susceptibility distribution of biochemical substrates, both anaerobic and aerobic. In the case of substrates with the quotient C/N < 20 obtained high values of BMP and AT₄. Presented at work the results confirmed by of other authors indicate that both BMP and AT₄ are appropriate indicators to assess the susceptibility of substrate degradation. From a practical point of view, AT₄ is more recommended due to the short measurement time, and should therefore be an indicator used to evaluate the susceptibility of substrates also anaerobic digestion.

Słowa kluczowe

PL

odpady; BMP; AT4

EN

waste; biochemical methane potential; respirometric index

• Wydawca: Politechnika Koszalińska
• Czasopismo: Rocznik Ochrona Środowiska
• Rocznik: 2016
• Tom: Tom 18, cz. 1
• Strony: 400--413
• Opis fizyczny: Bibliogr. 20 poz., tab., rys.

Twórcy

autor

Sadecka Z.

• Uniwersytet Zielonogórski

autor

Suchowska-Kisielewicz M.

• Uniwersytet Zielonogórski

Bibliografia

• 1. Adani, F., Ubbiali, C., Tambone, F., Scaglia, B., Centemero, M. & Genevini, P. (2002). Static and dynamic respirometric indexes - Italian research and studies. Biological treatment of biodegradable waste – Technical Aspects, Brussels.
• 2. Bożym, M. (2011). Wykorzystanie testów do oceny stopnia stabilizacji odpadów. Prace Instytutu Ceramiki i Materiałów Budowlanych, 7, 79-88.
• 3. Cossu, R., Raga, R. (2008). Test methods for assessing the biological stability of biodegradable waste. Waste Management, 28, 381-388.
• 4. Czechowska-Kosacka, A. (2013). Osady ściekowe jako źródło energii odnawialnej. Rocznik Ochrona Środowiska, 15, 314-323.
• 5. d’Obryn, K., Szalińska, E. (2005). Odpady komunalne – zbiórka, recykling, unieszkodliwianie odpadów komunalnych i komunalnopodobnych. Kraków: Wyd. Politechniki Krakowskiej.
• 6. Dąbrowska, L. (2015). Wpływ sposobu prowadzenia fermentacji osadów ściekowych na produkcję biogazu. Rocznik Ochrona Środowiska, 17, 943-957.
• 7. Lin, J.-G., Ma, Y.-S., Chao, A.C., Huang, C.-L. (1999). BMP test on chemically pretreated sludge. Bioresource Technology, 68(2), 187-192.
• 8. Godley, A.R., Lewin, K., Graham, A., Barker, H., Smith, R. (2004). Biodegradability determination of municipal waste: an evaluation of methods. In: Proc. Waste 2004 Conf. Integrated Waste Management and Pollution Control: Policy and Practice, Research and Solutions. Stratford-upon-Avon, UK, 40-49.
• 9. Gómez, R.B., Lima, F.V., Ferrer, A.S. (2006). The use of respiration indices in the composting process: a review. Waste Management Research, 24(1), 37-47.
• 10. Jędrczak, A. (2007). Biologiczne przetwarzanie odpadów. Warszawa: Wyd. Naukowe PWN.
• 11. Myszograj, S. (2011). Biodegradowalność hydrolizatów z dezintegracji termicznej odpadów komunalnych. Inżynieria i Ochrona Środowiska, 14(3), 281-290.
• 12. Owen, W.F., Stuckey, D.C., Healy Jr.. J.B., Young, L.Y., McCartyet, P.L. (1979). Bioassay for Monitoring biochemical methane potential and anaerobic toxicity. Journal Water Researches, 13(6), 485-492.
• 13. Romaniuk, W., Domasiewicz, T. (2014). Substraty dla biogazowni rolniczych. Warszawa: Wyd. Hortpress.
• 14. Ponsá, S., Gea, T., Alerm, L., Cerezo, J., Sánchez, A. (2008). Comparison of aerobic and anaerobic stability indices through a MSW biological treatment process. Waste Management, 28(12), 2732-2742.
• 15. Rosik-Dulewska, Cz. (2007). Podstawy gospodarki odpadami. Warszawa: Wyd. Naukowe PWN.
• 16. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 27 września 2001r. w sprawie katalogu odpadów (Dz.U. 2001, nr 112, poz. 1206).
• 17. Sadecka, Z. (2010). Fundamentals of biological wastewater treatment. Warsaw: Seidel-Przywecki.
• 18. Scaglia, B., Acutis, M., Adani, F. (2011). Precision determination for the dynamic respirometric index (DRI) method used for biological stability evaluation on municipal solid waste and derived products. Waste Management, 31(1), 2-9.
• 19. Wagland, S.T., Tyrrel, S.F., Godley, A.R., Smith, R. (2009). Test methods in the evaluation of the diversion of biodegradable municipal waste (BMW) from landfill. Waste Management, 29, 1218-1226.
• 20. Widz, A., Kubecka, P., Pańczyk, O., Jakubaszek, S., Burek, K., Stanek, P., Brodziak, A. (2015). Wykorzystanie biogazowi do zagospodarowania nawozów organicznych. Inżynieria środowiska – młodym okiem, 16, 216-227

Uwagi

PL

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę.