Anaerobic digestion is an efficient and renewable energy technology that can produce biogas from a variety of biomasses such as animal manure, food waste and plant residues. In developing countries this technology is widely used for the production of biogas using local biomasses, but there is little information about the value of these biomasses for energy production. This study was therefore carried out with the objective of estimating the biogas production potential of typical Vietnamese biomasses such as animal manure, slaughterhouse waste and plant residues, and developing a model that relates methane ($CH_4$) production to the chemical characteristics of the biomass. The biochemical methane potential (BMP) and biomass characteristics were measured. Results showed that piglet manure produced the highest $CH_4$ yield of 443 normal litter (NL) $CH_4kg^{-1}$ volatile solids (VS) compared to 222 from cows, 177 from sows, 172 from rabbits, 169 from goats and 153 from buffaloes. Methane production from duckweed (Spirodela polyrrhiza) was higher than from lawn grass and water spinach at 340, 220, and 110.6 NL $CH_4kg^{-1}$ VS, respectively. The BMP experiment also demonstrated that the $CH_4$ production was inhibited with chicken manure, slaughterhouse waste, cassava residue and shoe-making waste. Statistical analysis showed that lipid and lignin are the most significant predictors of BMP. The model was developed from knowledge that the BMP was related to biomass content of lipid, lignin and protein from manure and plant residues as a percentage of VS with coefficient of determination (R-square) at 0.95.This model was applied to calculate the $CH_4$ yield for a household with 17 fattening pigs in the highlands and lowlands of northern Vietnam.
Number of crop residues generated at large amount in agriculture can be utilized as substrate in methane production by anaerobic digestion. Greenhouse vegetable crop cultivation that adopting intensive agricultural system require the heating energy during winter season, meanwhile produce waste biomass source for the methane production. The purpose of this study was to investigate the methane production potential of greenhouse vegetable crop residues and to estimate material and energy yield in greenhouse system. Cucumber, tomato, and paprika as greenhouse vegetable crop were used in this study. Fallen fruit, leaf, and stem residues were collected at harvesting period from the farmhouses (Anseong, Gyeonggi, Korea) adopting an intensive greenhouse cultivation system. Also the amount of fallen vegetables and plant residues, and planting density of each vegetable crop were investigated. Chemical properties of vegetable waste biomass were determined, and theoretical methane potentials were calculated using Buswell's formula from the element analysis data. Also, BMP (Biochemical methane potential) assay was carried out for each vegetable waste biomass in mesophilic temperature ($38^{\circ}C$). Theoretical methane potential ($B_{th}$) and Ultimate methane potential ($B_u$) off stem, leaf, and fallen fruit in vegetable residues showed the range of $0.352{\sim}0.485Nm^3\;kg^{-1}VS_{added}$ and $0.136{\sim}0.354Nm^3\;kg^{-1}VS_{added}$ respectively. The biomass yields of residues of tomato, cucumber, and paprika were 28.3, 30.5, and $21.5Mg\;ha^{-1}$ respectively. The methane yields of tomato, cucumber, and paprika residues showed 645.0, 782.5, and $686.8Nm^3\;ha^{-1}$. Methane yield ($Nm^3\;ha^{-1}$) of crop residue may be highly influenced by biomass yield which is mainly affected by planting density.
Seonmin Kang;Minjae Kim;Juyun Lee;Sungyun Jung;Taeyoon Lee;Kwang Hee Nam;Joonyeob Lee
Journal of Environmental Science International
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v.32
no.1
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pp.47-55
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2023
This study evaluated the biochemical methane potential (BMP) of primary sludge, secondary sludge, and food waste in batch anaerobic mono-digestion tests, and investigated the effects of mixture ratio of those organic wastes on methane yield and production rate in batch anaerobic co-digestion tests, that were designed based on a simplex mixture design method. The BMP of primary sludge, secondary sludge and food waste were determined as 234.2, 172.7, and 379.1 mL CH4/g COD, respectively. The relationships between the mixing ratio of those organic wastes with methane yield and methane production rate were successfully expressed in special cubic models. Both methane yield and methane production rate were estimated as higher when the mixture ratio of food waste was higher. At a mixing ratio of 0.5 and 0.5 for primary sludge and food waste, the methane yield of 297.9 mL CH4/g COD was expected; this was 19.4% higher than that obtained at a mixing ratio of 0.3333, 0.3333 and 0.3333 for primary sludge, secondary sludge, and food waste (249.5 mL CH4/g COD). These findings could be useful when designing field-scale anaerobic digersters for mono- and co-digestion of sewage sludges and food waste.
Kim, Seung-Hwan;Kim, Hyun-Cheol;Kim, Chang-Hyun;Yoon, Young-Man
Korean Journal of Soil Science and Fertilizer
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v.43
no.3
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pp.356-362
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2010
This research studied the bio-methane potential of several waste biomass materials as alternative sources for biogas production, and the laboratory procedure for measuring the biochemical methane potential was described. The wastes from four agro-industries (sewage, livestock, food wastewater treatment sludge and cattle rumen substance generating in slaughter house) were evaluated as substrates for the assay of biochemical methane potential. In order to estimate the ultimate methane yield, two empirical equations (modified Gompertz equation and exponential equation) was investigated. The ultimate methane yield of sewage, livestock, food sludge and lumen substance estimated by the modified Gompertz equation were 0.086, 0.147, 0.146, and 0.121 L $CH_{4}\;g^{-1}\;VS_{added}$, respectively. The ultimate methane yield estimated by the exponential equation were 0.109, 0.246 and 0.174 L $CH_{4}\;g^{-1}\;VS_{added}$ in sewage, livestock sludge and lumen substance. And the ultimate methane yield estimated by the exponential equation showed more high values in the range of 26.7 ~67.3% than the ultimate methane yield estimated by the modified Gompertz equation.
Kim, Seung-Hwan;Kim, Ho;Oh, Seong-Yong;Kim, Chang-Hyun;Yoon, Young-Man
Korean Journal of Soil Science and Fertilizer
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v.45
no.4
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pp.532-539
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2012
This study was carried out to investigate the effect of substrate to inoculum ratio on ultimate methane potential ($B_u$) from piggery wastes. BMP(Biochemical methane potential) assays were executed for the three samples that have different organic characteristics (Filtrate of pig slurry, LF; Thermal hydrolysate of piggery sludge cake, TH; Mixture of LF and TH at the ratio of 4 to 1, Mix), and $B_u$ values obtained from BMP assays were compared with the theoretical methane potential ($B_{th}$) of each samples. While $B_u$ values (0.27, 0.44, and $0.46Nm^3\;Kg^{-1}-VS_{added}$) of TH sample that was pretreated with thermal hydrolysis were below the $B_{th}$ at all S/I ratios (0.1, 0.3, and 0.5), and $B_u$ values of LF (0.64 and $0.53Nm^3\;Kg^{-1}-VS_{added}$ for the S/I ratios of 0.1 and 0.3, respectively) at the lower S/I ratios of 0.1 and 0.3 exceeded the $B_{th}$ values ($0.418Nm^3\;Kg^{-1}-VS_{added}$). And also biodegradability ($B_u/B_{th}$) of LF sample were obtained as 152.07%, 122.67%, and 95.71% at the S/I ratios of 0.1, 0.3, and 0.5, respectively, and unreasonable $B_u/B_{th}$ values were presented at lower S/I ratios of 0.1 and 0.3. $B_u$ and $B_u/B_{th}$ of Mix sample showed a similar tendency with those of LF sample. Therefore, TH sample by thermal hydrolysis pretreatment showed lower anaerobic biodegradability than those of other samples (LF and Mix) and ultimate methane potentials of LF and Mix samples were overestimated in the lower S/I ratio of 0.1 and 0.3.
The effect of alkaline pre-treatment on the solubilization of waste activated sludge(WAS) was investigated, and the biodegradability of WAS, pretreated WAS, [PWAS], food waste and two types of mixture were estimated by biochemical methane potential [BMP] test at $35^{\circ}C$. The biodegradability of PWAS and mixture waste were significantly improved due to the effect of alkaline hydrolysis of WAS. An alkaline pre-treatment was identified to be one of the useful pre-treatment for improving biodegradability of WAS and mixture waste. In high-rate anaerobic co-digestion system coordinate with an alkaline pre-treatment in process, the digesters were operated at the HRT of 5, 7, 10 and 13 days with a mixture of FW $50\%\;and\;PWAS\;50\%,\;$In term of $CH_4$ content, VS removal and specific methane production [SMP] which are the parameters in the performance of digester, the optimum operating condition was found to be a HRT of 7 days and a OLR of 4.20g/L-day with the highest SMP of 0.340 L $CH_4/g$ VS.
Lee, Yu Jin;Cho, Han Sang;Kim, Jae Young;Kang, Jungu;Rhee, Sungsu;Kim, Kyuyeon
Journal of Korean Society of Environmental Engineers
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v.34
no.11
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pp.765-771
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2012
In this study, the biochemical methane potentials of different agricultural residues produced from agricultural plastic greenhouse were determined. Additionally, ensiling storage practice was applied on agricultural residues for its effect on biogas production. Agricultural residues of cabbage, strawberry, tomato, cucumber, and oriental melon were selected as sample. The methane potential and biodegradability of agricultural residues ranged from 149~286 mL-$CH_4/g$-VS, 27~48% (by vol.), respectively and methane production was in order of cabbage > oriental melon > strawberry ${\approx}$ cucumber > tomato. Ensiling caused difference in methane production in a range of -11~36% (by vol.) per VS compared with raw material. An increase in methane potential was presumably linked to the organic acid accumulation, cellulose degradation and decrease in methane potential was due to chemical composition change, ammonia accumulation during the storage process.
Journal of Korean Society of Environmental Engineers
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v.38
no.4
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pp.201-209
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2016
Theoretical maximum methane yield of glucose at STP (1 atm, $0^{\circ}C$) is 0.35 L $CH_4/g$ COD. However, most researched actual methane yields of anaerobic digester (AD) on lab scale is lower than theoretical ones. A wide range of them have been reported according to experiments methods and types of organic matters. Recent year, a MET (Microbial electrochemical technology) is a promising technology for producing sustainable bio energies from AD via rapid degradation of high concentration organic wastes, VFAs (Volatile Fatty Acids), toxic materials and non-degradable organic matters with electrochemical reactions. In this study, methane yields of food waste leachate and sewage waste sludge were evaluated by using BMP (Biochemical Methane Potential) and continuous AD tests. As the results, methane production volume from the anaerobic digester equipped with MET (AD + MET) was higher than conventional AD in the ratio of 2 to 3 times. The actual methane yields from all experiments were lower than those of theoretical value of glucose. The methane yield, however, from the AD + MET occurred similar to the theoretical one. Moreover, biogas compositions of AD and AD + MET were similar. Consequently, methane production from anaerobic digester with MET increased from the result of higher organic removal efficiency, while, further researches should be required for investigating methane production mechanisms in the anaerobic digester with MET.
Journal of the Korea Organic Resources Recycling Association
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v.28
no.1
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pp.15-25
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2020
Biogas production potential was experimentally estimated for mono- and co-digestion of cow manure and waste grass. The two organic wastes were mixed at five different ratios (100:0, 75:25, 50:50, 25:75, 0:100) on the volatile solids basis, and were assessed using biochemical methane potential (BMP) test. Thee reaction temperatures, 25℃, 30℃ and 35℃, were applied as well, resulting in 15 different combinations for the test. The results showed that both higher temperature and waste grass mixing ratio resulted in higher methane yield and maximum methane production rate. Based on the experimental results, a theoretical farm- or community-scale (240 or 2400 ㎥) anaerobic digester was designed to evaluate the energy balance associated with mono- and co-digestion of the wastes at different temperatures. Although the energy production increased as the temperature and the waste grass mixing ratio increased, the net energy gain, energy production subtracted by energy consumption for heating and maintenance, was estimated to be the highest at 30℃, followed by at 35℃ and 25℃. Therefore, it is advised that both the experimental methane production and the detailed design parameters must be considered for the optimization of the net energy gain from these wastes.
In this study, microwave irradiation, which is reflected by metals, was used to reduce the amount of sewage sludge, and the results were used to verify solubilization efficiency and determine optimum operation conditions. Biogas production and methane content of the gas under optimized conditions were measured with the biochemical methane potential (BMP) test. The sludge was taken from a thickened sludge tank at J sewage treatment plant (JSTP) in Seoul, Korea. For the experiments, 50 mL of sludge was filled in vessels and the vessels were irradiated with the power of 500, 600, 700, and 800W for 2~5 min. In addition, Fe powder was added by 0.01, 0.05, and 0.1 g to compare the efficiency with and without Fe powder. The results confirmed that solubilization efficiency was higher in the presence of Fe powder. The optimum conditions of 0.01 g addition of Fe powder with 800W irradiation for 5 min, yielded nearly 22.95% higher solubilization efficiency than without Fe powder. The BMP tests were carried out using sludge obtained from the experiments carried out under the optimum conditions. As a result, sludge subjected by 800W with 0.01 g of Fe powder for 5 min displayed the highest level of gas production and methane content. Through this study, it could be confirmed that solubilization efficiency increased by addition of Fe powder.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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