Quali/quantitative characterization of biogas produced in batch digesters supplied with six distinct substrates

The present research was carried out at the DER/FCAV, São Paulo State University - Brazil, with the purpose of analyzing the quantity and quality of biogas produced by six types of substrates. The substrates used in the anaerobic digestion were characterized as: 1- Litter of broiler (LB); 2- Grinded broiler litter (GBL); 3- Broiler litter with wood shavings (BLWS); 4- Grinded broiler litter with wood shavings (GBLWS); 5- Broiler litter with peanut hulls (BLPH); 6- Grinded broiler litter with peanut hull (GBLPH). It was concluded from the collected data that: the (GBL) substrate showed a superior biogas accumulated production in relation to the other substrates, while the BLWS presented an inferior accumulated production; the grinded substrates showed higher quantities of accumulated biogas in relation to the non-grinded substrates, except for GBLPH, with 20.9 m³ inferior than BLPH; the period of maximum biogas production started from 45 to 60 days, declining after 120 days; at 57 days after filling up the digesters the biogas produced had levels of CH4 superior than 53%, and from 99 days all of them produced biogas with levels of CH4 superior than 70%; LB and GBL presented higher concentrations of CH4 in the biogas.

The role of subsidy in ensuring the sustainability of small-scale anaerobic digesters in Odisha, India

Small-scale anaerobic digester installation has been a development objective of the Indian government to provide rural households clean fuel. Anaerobic digester installation is heavily subsidised. Depending on caste, the rate of subsidy offered for the smallest system available (1m3) varies between 32.35% and 41.18% of the total installation price. Yet, there are gaps in knowledge regarding the usefulness of such subsidies from a sustainability perspective. A cost-benefit analysis was conducted to evaluate the circumstances required for digester sustainability. The analysis used household data collected from 115 cattle owning households in Odisha, India to evaluate profitability at three levels of subsidy (none, General caste subsidy, and Schedule Caste/Schedule Tribe subsidy). Additional analyses considered the effect of; taking a loan, replacing electric lighting with biogas lighting, and the wealth level of the household. The results indicated that access to subsidy improved profitability. Yet, profitability could be achieved without the use of subsidy. The level of benefit accrued by households was similar independent of wealth. However, the provision of subsidy was essential for ensuring profitability for those households required to take a loan to meet the expense of installation. Such findings highlight the importance of subsidy as a means of including the poor.

Quali/quantitative characterization of biogas produced in batch digesters supplied with six distinct substrates

Com a finalidade de se analisar quali/quantitativamente o biogás produzido por 6 tipos de substratos, efetuou-se a presente pesquisa no DER/FCAV/UNESP- SP, Brasil. Os substratos utilizados na digestão anaeróbia foram caracterizados como: 1- Esterco de aves de postura (EAP); 2- Esterco de aves de postura triturado (EAPT); 3- Esterco de aves de corte com cama de maravalha (EACM); 4- Esterco de aves de corte com cama de maravalha triturado (EACMT); 5- Esterco de aves de corte com cama de casca de amendoim (EACA), e 6- Esterco de aves de corte com cama de casca de amendoim triturado (EACAT). Dos resultados obtidos, concluiu-se que, em relação à produção acumulada de biogás, o substrato EAPT foi superior aos demais, enquanto EACM apresentou produção acumulada inferior. em geral, os substratos triturados apresentaram maior quantidade de biogás acumulado em relação aos não triturados, exceto o EACAT, com 20,9 m³ inferior ao EACA. O período de produção máxima de biogás teve início entre 45 e 60 dias, começando a decair a partir dos 120 dias. Aos 57 dias após o enchimento dos biodigestores, o gás produzido possuía teores de CH4 superiores a 53%, e a partir dos 99 dias, todos produziram biogás com teores de CH4 superiores a 70%. Os substratos EAP e EAPT apresentaram maiores concentrações de metano no biogás.

Mathematical tool to size rural digesters

Os biodigestores têm sido objetos de grande destaque devido a atual crise de energia e conseqüente busca de fontes alternativas. Outro fator que coloca os biodigestores em evidência é o intenso processo de modernização da agropecuária, que além da grande demanda de energia, produz um volume de resíduos animais e de culturas, que ocasiona muitas vezes problemas de ordem sanitária. O objetivo deste trabalho é fornecer uma ferramenta matemática para determinação de parâmetros para projetos de construção de biodigestores rurais, levando-se em consideração o atendimento de necessidades energéticas, obedecendo os dimensionamentos dos sistemas, fatores de rendimento e garantindo a funcionalidade. Para isto, foram formulados modelos de otimização não lineares, de fácil resolução, para os três principais tipos de biodigestores rurais. Com a resolução destes modelos são determinados a altura e o diâmetro que levem a um volume mínimo para cada tipo, com isto reduz-se a quantidade necessária de materiais de alvenaria e consequentemente o custo do biodigestor é diminuído.

Rational use of residential digesters for sewage treatment with Carbon Credits

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Arsenic volatilization in model anaerobic biogas digesters

Arsenic is a class 1 non-threshold carcinogen which is highly ubiquitous. Arsenic undergoes many different transformations (biotic or abiotic) between and within environmental compartments, leading to a number of different chemical species possessing different properties and toxicities. One specific transformation is As biotic volatilization which is coupled with As biomethylation and has been scarcely studied due to inherent sampling issues. Arsenic methylation/volatilization is also linked with methanogenesis and occurs in anaerobic environments. In China, rice straw and animal manure are very often used to produce biogas and both can contain high amounts of As, especially if the rice is grown in areas with heavy mining or smelting industries and if Roxarsone is fed to the animals. Roxarsone is an As-containing drug which is widely used in China to control coccidian intestinal parasites, to improve feed efficiency and to promote rapid growth. Previous work has shown that this compound degrades to inorganic As under anaerobic conditions. In this study the focus is on biotic transformations of As in small microcosms designed as biogas digester models (BDMs) using recently validated As traps, thus, enabling direct quantification and identification of volatile As species. It is shown that although there was a loss of soluble As in the BDMs, their conditions favored biomethylation. All reactors produced volatile As, especially the monomethylarsonic acid spiked ones with 413 ± 148 ng As (mean ± SD, n = 3) which suggest that the first methylation step, from inorganic As, is a limiting factor. The most abundant species was trimethylarsine, but the toxic arsine was present in the headspace of most of the BDMs. The results suggest that volatile As species should be monitored in biogas digesters in order to assess risks to humans working in biogas plants and those utilizing the biogas.

Water for small-scale biogas digesters in sub-Saharan Africa

Funded by UK Natural Environment Research Council ESPA project. Grant Number: NE/K010441/1 Afri-Flame

Use of solar energy to heat anaerobic digesters : part I, technical and economic feasibility study : part II, economic feasibility throughout the United States /

Mode of access: Internet.

A mechanistic kinetic model for phenol degradation by the Fenton process

The objective of this paper is to develop and validate a mechanistic model for the degradation of phenol by the Fenton process. Experiments were performed in semi-batch operation, in which phenol, catechol and hydroquinone concentrations were measured. Using the methodology described in Pontes and Pinto [R.F.F. Pontes, J.M. Pinto, Analysis of integrated kinetic and flow models for anaerobic digesters, Chemical Engineering journal 122 (1-2) (2006) 65-80], a stoichiometric model was first developed, with 53 reactions and 26 compounds, followed by the corresponding kinetic model. Sensitivity analysis was performed to determine the most influential kinetic parameters of the model that were estimated with the obtained experimental results. The adjusted model was used to analyze the impact of the initial concentration and flow rate of reactants on the efficiency of the Fenton process to degrade phenol. Moreover, the model was applied to evaluate the treatment cost of wastewater contaminated with phenol in order to meet environmental standards. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

Optimal synthesis of anaerobic digester networks

The objective of this paper is to develop a mathematical model for the synthesis of anaerobic digester networks based on the optimization of a superstructure that relies on a non-linear programming formulation. The proposed model contains the kinetic and hydraulic equations developed by Pontes and Pinto [Chemical Engineering journal 122 (2006) 65-80] for two types of digesters, namely UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) and EGSB (Expanded Granular Sludge Bed) reactors. The objective function minimizes the overall sum of the reactor volumes. The optimization results show that a recycle stream is only effective in case of a reactor with short-circuit, such as the UASB reactor. Sensitivity analysis was performed in the one and two-digester network superstructures, for the following parameters: UASB reactor short-circuit fraction and the EGSB reactor maximum organic load, and the corresponding results vary considerably in terms of digester volumes. Scenarios for three and four-digester network superstructures were optimized and compared with the results from fewer digesters. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

Avaliação da contaminação dos condensados de uma fábrica de pasta para papel

O objectivo do presente trabalho foi caracterizar os condensados produzidos numa fábrica de pasta para papel para identificar e localizar pontos da sua contaminação. Para o efeito, foram recolhidas amostras de condensado e caracterizados os parâmetros condutividade, pH, sódio e sílica. A amostragem decorreu no período entre 15 de Setembro a 6 de Novembro de 2008. Através da análise dos resultados obtidos para as concentrações de sílica e de sódio de cada uma das correntes, foram identificadas como contaminadas as correntes de condensado provenientes do condensador do Turbogerador 4, da área dos Digestores Descontínuos, da Evaporação e do Aquecedor de Água Quente para o Branqueamento. A realização de um balanço pontual à sílica no tanque de condensados da Central permitiu concluir que a maior contribuição advém do condensador do Turbogerador 4. Na Evaporação ocorre contaminação do condensado quando as secções do Concentrador 1 são colocadas em serviço após lavagem. Durante o acompanhamento do arranque da Evaporação, uma das secções (1/B) registou um valor máximo na concentração de sódio no condensado de 135 mg/L Na. Do estudo resulta, enquanto não for reparado e/ou substituído o equipamento responsável pelas contaminações, a necessidade de admitir requisitos para controlo da qualidade da água da caldeira menos restritivos, nomeadamente para a razão sódio/fosfato. É necessário, contudo, o rigoroso acompanhamento da qualidade da água da caldeira (pH, sobretudo) para prevenir afastamentos inesperados dos limites de controlo. Durante a realização deste trabalho foram identificadas algumas situações a melhorar, tais como a uniformização dos valores de desvio para esgoto dos condensados e das unidades utilizadas, a adequação das escalas dos aparelhos de medida para as gamas de leitura de interesse, a verificação e calibração periódica do equipamento instalado em linha, a adopção do parâmetro “Sódio” para controlo da qualidade dos condensados, a instalação de sistemas de amostragem com arrefecimento em todas as correntes de condensados e a reparação ou substituição de algum equipamento instalado em linha que se encontra em muito mau estado e ainda a manutenção do equipamento mantendo-o em boas condições de limpeza.

Produção centralizada a biogás - análise do impacto a nível cooperativo

A utilização de energia renovável é hoje tema abordado em todo o mundo, devido à preocupação com a preservação do meio ambiente. Entre as energias renováveis, a biomassa destaca-se pela excelente disponibilidade que possui. Os dejetos bovinos são uma das mais abundantes, o qual tem grande potencial energético, se fermentado corretamente em biodigestores, obtendo como um dos produtos finais, o biogás. Esse gás é constituído na sua maior parte por gás metano (CH4) que é altamente inflamável. Neste trabalho pretende-se fazer a avaliação do potencial energético das propriedades de produção de leite na região do concelho de BRAGA aplicando uma tecnologia de queima de biogás e de produção de eletricidade utilizando um sistema de cogeração convencional e uma tecnologia mais recente, o Organic Rankine Cycle (ORC) e explicitando a respetiva análise económica. As opções por um sistema ORC na central em análise foram justificadas ponderando as vantagens e desvantagens deste ciclo em relação ao ciclo de vapor de água. O objetivo é a obtenção de energia elétrica e térmica e o aumento do rendimento global da instalação com o aproveitamento de todas as energias disponíveis, assim como a eliminação da toxidade dos dejetos para aproveitamento como biomassa. Partindo do levantamento bibliográfico e caraterização das diversas propriedades existentes no concelho, utilizando a tecnologia mais indicada e atual para este tipo de instalação. A biomassa utilizada foi uma mistura de dejetos bovinos com água. O biogás produzido foi convertido em energia elétrica e térmica, através da sua queima. Tem-se assim uma central que além de dar destino adequado aos dejetos animais, diminui a contaminação ambiental, evita a emissão de gás metano para a atmosfera e produz biogás. Efetua-se os cálculos económicos para dois cenários distintos, implementação de uma central de valorização de biogás em cada um dos oito maiores produtores de leite do núcleo de Penso e o aproveitamento dos dejetos produzidos pelos mesmos para implementação de uma central global de recolha dos mesmos, onde é feito o tratamento dos mesmos e a consequente produção de biogás. Na análise económica foram utilizados os seguintes critérios: o VAL (valor atual líquido), a TIR (taxa interna de rendibilidade) e o Período de Retorno Financeiro do Projeto.

Methanogens, sulphate and heavy metals: a complex system

Anaerobic digestion (AD) is a well-established technology used for the treatment of wastes and wastewaters with high organic content. During AD organic matter is converted stepwise to methane-containing biogasa renewable energy carrier. Methane production occurs in the last AD step and relies on methanogens, which are rather sensitive to some contaminants commonly found in wastewaters (e.g. heavy metals), or easily outcompeted by other groups of microorganisms (e.g. sulphate reducing bacteria, SRB). This review gives an overview of previous research and pilot-scale studies that shed some light on the effects of sulphate and heavy metals on methanogenesis. Despite the numerous studies on this subject, comparison is not always possible due to differences in the experimental conditions used and parameters explained. An overview of the possible benefits of methanogens and SRB co-habitation is also covered. Small amounts of sulphide produced by SRB can precipitate with metals, neutralising the negative effects of sulphide accumulation and free heavy metals on methanogenesis. Knowledge on how to untangle and balance sulphate reduction and methanogenesis is crucial to take advantage of the potential for the utilisation of biogenic sulphide as a metal detoxification agent with minimal loss in methane production in anaerobic digesters.

The appraisal of mesophilic anaerobic digestion and thermophilic aerobic digestion in the treatment of municipal sludge in Ireland

It has been well documented that the optimum feedstock for anaerobic digesters consists of readily biodegradable compounds, as found in primary sludge or even a mixed substrate of primary and excess activated sludge. Due to the requirements of the Urban Wastewater Treatment Plant Directive of 1991, the quantities of secondary sludge generated is set to increase substantially. A pilot scale study was undertaken to evaluate the performance of both Mesophilic Anaerobic Digestion and Thermophilic Aerobic digestion in the treatment of secondary sludge. The results indicated that the anaerobic pilot scale digester achieved a greater solids destruction than the aerobic pilot plant averaging at 28% T.S. removal verses 20% for the aerobic digester, despite the fact that secondary sludge is the optimum feedstock for aerobic digestion. This can, however, be attributed to the greater biomass yield experienced with aerobic systems, and to the absence of Autothermal conditions. At present, the traditional technique of Mesophilic Anaerobic Digestion is in widespread application throughout Ireland, for the stabilisation of sewage sludge. There is only one Autothermal Thermophilic Aerobic Digester at present situated in Killarney, Co. Kerry. A further objectives of the study was to compare full-scale applications of Mesophilic Anaerobic Digestion to ATAD. Two Sludge Treatment plants, situated in Co. Kerry, were used for this purpose, and were assessed mainly under the following headings; process stability, solids reduction on average, the ATAD plant in Killarney has the advantage of producing a “Class A” Biosolid in terms of pathogen reduction, and can effectively treat double the quantity of sludge. In addition, economically the ATAD plant is cheaper to run, costing €190 / t.d.s verses €211 / t.d.s. for the anaerobic digester in Tralee. An overview of additional operational Anaerobic Digestion Plants throughout Ireland is also presented.