Laboratory investigation of the discharge method and production biogas pressure effect on anaerobic digestion process.

Yousefi, Leyla; Nezamabadi, Omid

Laboratory investigation of the discharge method and production biogas pressure effect on anaerobic digestion process.

Document Type : Research Article

Authors

Leyla Yousefi ¹

Omid Nezamabadi ²

¹ Chemistry Department, Basic Science Faculty, Islamshahr Branch, Islamic Azad University, Islamshahr, Tehran, Iran

² Department of Energy, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran

Abstract

The anaerobic digestion process is associated with biogas production, so pressure will be an important parameter affecting process. How the produced biogas discharge will be affected on system type as well as operating pressure, both of which affect the anaerobic digestion process, quality and quantity of produced biogas. In this research, effect of how produced biogas discharge by the laboratory scale anaerobic digestion system on the biogas production process with an industrial approach has been investigated in three methods. In all methods, after injecting feed into the digester, system was subjected to a relative vacuum about -0.1 bar_g per feed mass unit.First method system was batch, for second and third methods with respect biogas output were considered semi batch and continues, respectively. Other operating conditions such as temperature, mixing, type and amount of feed were same for all three methods. For feed and digested, moisture, dry and organic matter and ash were measured and elements analysis were done. Production biogas analysis was also performed to measure the average relative composition of biogas.The results of products analysis and measurements show that volume of produced biogas in the third method compared to the second and first methods increased by 9.64% and 15.53%, respectively. These characters were shown increasing of methane volume share in compare of total biogas production 2120.22% and 21.31%, respectively. The four steps in the anaerobic digestion process are performed continuously in balance with each other uniformly. The gradual release of biogas produced and low pressure of system make the process conditions uniform and susceptible to the activities of microorganisms, especially methanogenic. Therefore, the gradual discharge method of produced biogas and its low pressure due to lack of accumulation in the digestion tank during anaerobic digestion process has best results in terms of produced biogas and methane volume.

Keywords

anaerobic digestion

discharge method

biogas

methane

pressure

Subjects

Health, Safety, Environment (HSE)

[1] علیرضا نورپور، هادی افراسیابی، سید مجید داودی، "بررسی فرایند مدیریت پسماند در جهان و ایران"، مرکز مطالعات و برنامه‌ریزی شهر تهران، گزارش شماره 207، شهریور (1392).

[2] نوروزیان باغانی عباس، دهقانی سمیه، فرزادکیا مهدی، دلیخون مهدیه، امام جمعه محمد مهدی، بررسی مقایسه‌ای نرخ تولید و ترکیب پسماند جامد در شهر شیراز، مجله علمی دانشگاه علوم پزشکی قزوین، (2)21: 56و57 (1396).

[3] عابدین زاده نیلوفر,، روانبخش مکرم، عابدی طوبی، ارزیابی اثرات زیست محیطی محل دفن بهداشتی – مهندسی پسماندهای شهری شهرستان سمنان، فصلنامه علوم و تکنولوژی محیط زیست، (2)15: 105تا117 (1392).

[4] احمد پوراحمد، رقیه حیدری، بررسی آلودگی‌های زیست‌محیطی در کشورهای جهان اسلام، فصلنامه پژوهشهای سیاسی جهان اسلام، (1) 6: 143تا170 (1395).

[5] Fahim F., Shayegan J., CO₂ Measurement of Synthetic Biogas by Passing It Through Dilute NaOH Solution, Iran. J. Chem. Chem. Eng. (IJCCE), 39(3): 107-116 (2020).

[6] ثنایی مقدم، اکبر؛ محمدرضا آرین نژاد؛ مسعود علیزاده و علی نجفی، بررسی تولید انرژی از پسماند آلی شهری به روش هضم بی هوازی، همایش ملی تولید و بهره برداری از انرژی های نو سازگار با محیط زیست، کرمان، دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات کرمان (1394).

[7] یوسفی لیلا، تأثیر اختلاط هضم‌شده با پسماندهای‌جامد‌آلی‌شهری در تولید زیستگاز از طریق مجموعه دستگاهی هضم‌بی‌هوازی بسته تحت شرایط مزوفیلیک، نشریه شیمی سبز و فناوریهای پایدار، 3: 61تا69 (1399).

[8] یوسفی لیلا، مطالعه و بررسی الزامات قانونی، فنی و اقتصادی کاربرد زیستمتان بهعنوان گاز طبیعی(مطالعه موردی آلمان)، ششمین کنگره ملی تحقیقات راهبردی درشیمی و مهندسی شیمی با تأکید بر فناوری های بومی ایران، انجمن فناوری های بومی ایران، تهران (1398).

[9] علیدادی حسین، اعتمادی مشهدی سمیه، نجف پور علی اصغر، محب راد بتول، مطالعه فرآیند تولید زیستگاز با استفاده از مخلوط شیرابه زباله شهری و فضولات حیوانی، مجله تحقیقات سلامت در جامعه، (۲) ۳: ۴۴تا۵۴ (1396).

[10] یوسفی لیلا ، " راهنمای زیستگاز(دانش، تولید و کاربردها) بخش اول: منابع زیستتوده، فراورش خوراک و تولید زیست گاز"، انتشارات عطران (1397).

[11] یوسفی لیلا، مطالعه و بررسی تأثیر شاخصهای مهم عملیاتی بر طراحی و مهندسی واحدهای زیستگاز، پنجمین کنفرانس بین المللی فناوری و مدیریت انرژی با رویکرد پیوند انرژی، آب و محیط زیست ، انجمن انرژی ایران، تهران (1397).

[12] Elisabeth Cazier, Eric Trably, Jean-Philippe Steyer, Renaud Escudié., Biomass Hydrolysis Inhibition at High Hydrogen Partial Pressure in Solid-State Anaerobic Digestion., Bioresource Technology, Elsevier, 190: 106-113. 10.1016/j.biortech.2015.04.055. Hal-01149953v2 (2015).

[13] CARMEN MATEESCU, Influence of the Hydrostatic Pressure on Biogas Production in Anaerobic Digesters, Romanian Biotechnological Letters, 21(5): 11941-11948 (2016).

[14] Y. CHEN, J. J. CHENG, K. S. Creamer, Inhibition of Anaerobic Digestion Process: A Review, Bioresource Technology, 99: 4044-4064 (2008).

[15] Teodorita Al Seadi et al., Biogas Handbook. Denmark: University of Shouthern Denmark, Esbjerg, (2008).

[16] G. Balachandar, Namita Khanna, and Debebrata Das, "Biohydrogen Production from Organic Waste by Dark Fermentation", Biohydrogen. Poland: Elsevier, 103-144 (2013).

[17] Faatihatur R. Silmi, M. Ramdlan Kirom, A. Qurthobi, “Analysis of the Influence of Internal Pressure Control to the Total GasProduction in Anaerobic Digester”, Engineering Physics International Conference, EPIC 2016, Procedia Engineering, 170: 467 - 472 (2017).

[18] Andreas Lemmer, Wolfgang Merkle, Katharina Baer, Frank Graf, Effects of High-Pressure Anaerobic Digestion up to 30 Bar on pH-Value, Production Kinetics and Specific Methane Yield, Energy 138: 659-667 (2017).

[19] Shiplu Sarker, Jacob J. Lamb, Dag R. Hjelme and Kristian M. Lien, A Review of the Role of Critical Parameters in the Design and Operation of Biogas Production Plants, Appl. Sci., 9: 1915; doi:10.3390/app9091915 (2019).

[20] Petersson A., Wellinger A., Biogas Upgrading Technologies—Developments and Innovations. IEA Bioenergy, 20: 1–19 (2009).

[21] Vavilin V., Vasiliev V., Rytov S., Modelling of gas Pressure Effects on Anaerobic Digestion. Bioresour. Technol., 52(1): 25–32 (1995).

[22] Singh G., Jain V.K., Singh A., Effect of Temperature and Other Factors on Anaerobic Digestion Process, Responsible for Bio Gas Production., International Journal of Theoretical and Applied Mechanics, 12(3): 637–657 (2017).

[23] Prajapati B.R., Sharma R.K., Amatya I.M., Effect of Reduced Gas Pressure on Yield of Biogas and other Physicochemical Parameters. Int. J. Energy. Environ. Eng. (2020).

[24] Kasprzycka A., Kuna J., Methodical Aspects of Biogas Production in Small-Volume Bioreactors in Laboratory Investigations. Energies, 11(6): 1378 (2018).

[25] موسسه استاندارد و تحقیقات صنعتی ایران، “کمپوست -ویژگیهای فیزیکی و شیمیایی”، استاندارد ملی ایران 10716، چاپ اول.

[26] موسسه استاندارد و تحقیقات صنعتی ایران، "روش آزمایش تعیین مقدار رطوبت خاک"، استاندارد ملی ایران 1677، چاپ سوم، آذرماه (1370).

[27] موسسه استاندارد و تحقیقات صنعتی ایران، "کمپوست-نمونه‌برداری و روش‌های آزمون فیزیکی و شیمیایی"، استاندارد ملی ایران 13320، چاپ اول.

[28] Monson K.D., Esteves S.R., Guwy A.J., Dinsdale R.M., Anaerobic Digestion of Biodegradable Municipal Wastes, A review, SERC, (2007).

[29] Agbede O.O., Aworanti O.A., Osuolale F.N., Adebayo A.O., Ogunleye O.O., Agarry S.E., Babatunde K.A, Anaerobic Conversion of Biodegradable Municipal Solid Waste to Biogas: A Review, Journal of Civil and Environmental Studies, 3(1): (2019).

[30] David M. Himmelblau, James B. Riggs, “Basic Principles and Calculations in Chemical Engineering”, fifth edition, Prentice Hall Inc., Englewood Cliffs, New Jersey 07632, (1989).