Search

Biogas production is a sustainable bioenergy process very much in demand nowadays for all the benefits it entails. It does not only allow production of clean energy and thus autonomy from fossil fuels, but also the recirculation of nutrients back to the crop fields and the decrease on greenhouse gas emissions from the agricultural sector. Biogas production is very versatile, because a wide variety of materials can be used as resources to generate methane, including organic wastes that do not present a threat to food production. With the increase interest in employing different types of available agricultural and industrial materials as biogas feedstocks, improvements along the whole process need to be addressed so to make this technology an efficient one. This thesis deals with many aspects of the anaerobic digestion process in which improvement of both process efficiency and stability can be achieved. Focus in particular was made on studying the effects of pre-treating highly lignocellulosic biomass by steam explosion on its biogas production (Paper I), mixing of different types of materials (Papers I-II-III), performing recirculation (Papers II-III) and recovery of nutrients from the digestate (Paper III). Steam explosion was tested on a hardwood crop rich in lignin, Salix viminalis, and was found to increase the methane production by up to 50 % compared to just mill Salix chips (Paper I). Different carbon-to-nitrogen (C/N) ratios were studied by screening mixtures of Salix and cattle manure with varying contents of volatile solids (VS %), which indicated that mixtures containing up to 40 % VS of steam exploded Salix could be used together with manure in anaerobic digestion and give good methane yields (Paper I). However, when substrates with high fiber content are digested in semi-continuous systems, much of the methane potential remains unexploited if the retention times are not enough for the slowly degrading materials. Ways to take advantage of such residual potential include; i) using gas tight post-storage tanks; ii) arranging post digestion systems at the biogas plants, iii) applying pretreatment to substrates that are difficult to easily digest and/or iv) applying longer hydraulic retention times. This last one can also be achieved by performing recirculation of the digestate back to the digester, thereby allowing a longer hydraulic (and solid) retention time without reducing the capacity of the system. In this study, recirculation of the liquid fraction of the digestate was evaluated as a method to enhance process efficiency and stability (Paper II). The results showed that using recirculated digestate instead of water to dilute the feedstock increased the methane production by up to 27 %. Ammonia and volatile fatty acids did not cause any inhibition problems, but accumulation of solids was more noticeable in the recirculating reactors, causing the degree of digestion to decrease after three hydraulic retention times. This indicates that optimization of the solids separation when recirculating is essential to guarantee long-term stability of systems. An enhancement of such separation was included in Paper III. Besides cattle manure and Salix, another organic waste of importance in Norway was tested, namely, “category 2” fish byproduct (Paper III). Fish farming is an extensive industrial activity in Norway, and the wastes from that sector have a high protein and fat content which translates in high energetic value. Seizing such products that benefits for Norway. When fish byproduct category 2 was mixed with steam exploded Salix and manure in continuously stirred tank reactors, yields in average increased 35 % (Paper III). Recirculation was also tested together with the addition of such nitrogen-rich substrate in order to evaluate the stability of the process with regard to levels of ammonium. The results revealed that the stability of the reactors was substantial since ammoniacal nitrogen (NH4+-N) concentrations increased to levels that otherwise would have inhibited the methanogenic process (Paper III). Recirculating digestate not only helps in recover residual methane potential, but also may favor the stability, enriching the microbial biomass that becomes tolerant to levels of NH4+-N usually corresponding to toxic levels of free ammonia. A proper co-digestion fraction of lignocelluloses together with NH4+-N rich biomass was crucial for balancing the nutrients and keeping the process running. During anaerobic digestion, nitrogen and phosphorous are mineralized and converted into plant-available nutrients. NH4+-N and phosphate could be recovered from the raw digestate and fixed into more solid fractions that can improve the final biofertilizer. The simple cost effective techniques tested in this study were struvite precipitation and bentonite adsorption, and both gave interesting results regarding the amount of NH4+-N removed (approx. 90 % and 80 % removal respectively). Even though the phosphate content was not high in the digestates, some removal was achieved mostly as struvite. Therefore, by taking into account: i) a good pre-treatment, ii) an optimum mixing ratio of different available materials, iii) savings on resources while profiting residual energy potential and enhancing stability, iv) and recovery of nutrients in the form of a richer biofertilizer, biogas can become attractive in Norway, not only as a substitute for fossil fuels in transport, but also as a source of good quality organic fertilizer, all this while also helping in some cases, in the reuse and treatment of potentially polluting organic wastes. Biogassproduksjon kan være en bærekraftig energiprosess som er mye etterspurt i dag på grunnlag av de fordeler dette innebærer for klimanøytral energi og gjenbruk av organiske avfallsprodukter til gjødsel. Det betyr ikke bare produksjon av energi som kan erstatte bruk av fossilt brennstoff, men som også kan gi grunnlag for resirkulering av næringsstoffer tilbake til dyrket mark og redusert klimagassutslipp fra landbruket. Dette er en svært allsidig prosess, siden mange forskjellige typer materialer og stoffer kan brukes som ressurs til å generere metan, som organiske avfall som ikke vil konkurrere med matproduksjon. Siden det er stor interesse for også å ta i bruk nye typer tilgjengelige landbruks- og industri avfall som råstoff for biogassproduksjon, er det nødvendig å undersøke mulige forbedringer langs hele prosessen for å gjøre teknologien mer effektiv. Denne avhandlingen peker på mange aspekter av biogassprosessen der det kan oppnås forbedring av både prosess-effektivitet og -stabilitet. Det ble spesielt satt fokus på å studere effekten av dampeksplosjon som forbehandling av biomasse med mye lignocellulose, altså fra trevirke på biogassproduksjon (Artikkel I), blanding av forskjellige typer av materialer sammen med trevirke (Artikkel I-II-III), resirkulering av prosessvann (Artikkel II-III) og gjenvinning av næringsstoffer fra råtnerest (Artikkel III). Tema for arbeidet omhandler ulike metoder for å forbedre eller optimalisere anaerob nedbrytning av lignocellulose og organisk avfall, slik at det oppnås maksimal biogassproduksjon. Dette gjøres ved dampeksplosjon, samråtning og resirkulering av prosessvann. Det betyr ikke bare hvordan produksjon av ren energi kan økes, men avhandlingen inneholder også studier av hvordan oppløste næringsstoffer i våte råtnerester kan renses og fanges og derved resirkuleres tilbake til dyrket mark. For organisk avfall, landbruk og matavfall vil dette også føre til redusert klimagassutslipp dersom mineralgjødsel erstattes. Dampeksplosjon ble testet på et lignin rikt løvtre, Salix viminalis (korgpil), som ga en økning av metanproduksjonen på opptil 50 % sammenlignet med chips (Artikkel I). Forholdstallene mellom karbon og nitrogen (C/N) som ble funnet etter screening av ulike blandinger av Salix og storfe gjødsel, indikerte at blandinger som inneholdt opp til 40 % VS (volatile solids) av dampeksplodert Salix ga godt metanutbytte (Artikkel I). Men når substrater med høyt fiberinnhold blir utråtnet i semi-kontinuerlige systemer, forblir mye av metan potensialet uutnyttet dersom oppholdstiden er for kort. For å kunne dra nytte av et slik gjenværende metan potensial innebærer, i) gasstette tanker for etterlagring, ii) etablere et ekstra utråtningstrinn ved anlegget, iii) gjennomføre en ekstra forbehandling/etterbehandling av råtneresten før ii) og/eller iv) bruke lengre oppholdstid. Dette siste kan også oppnås ved å tynne ut råstoff ved resirkulering av våt råtnerest, altså vannfasen fra avvannet slam fra bioreaktor (prosessvann) i stedet for bruk av rent vann. Dette ble undersøkt for å se om en oppnår lengre oppholdstid uten å redusere kapasiteten. I denne studien ble resirkulering av væskefraksjonen av råtneresten vurdert som en metode for å forbedre effektiviteten og mer stabil metan produksjon (Artikkel II). Resultatene viste at fortynning av råmaterialet ved hjelp av resirkulert råtnerest i stedet for med vann økte metan produksjonen med opptil 27 %. Konsentrasjonene av ammoniakk og flyktige fettsyrer var lave og førte ikke til problemer, men tørrstoff akkumulering var merkbar i reaktorene med resirkulering, noe som førte til lavere nedbrytningsgrad etter tre hydrauliske oppholdstider. Dette indiker at seperasjonen av tørrstoff i avvanningsprosessen må optimaliseres ved bruk av denne metodenmed resirkulasjon. Separasjon av en større andel partikler ble derfor inkludert i Artikkel III. Foruten storfegjødsel og Salix, ble et annet viktig norsk organisk avfall testet: fiskeavfall som biprodukt kategori 2 (Artikkel III). Fiskeoppdrett er en stor industri i Norge og avfall fra denne virksomheten har et høyt protein- og fettinnhold som betyr et høyt energiinnhold. Bedre utnyttelse av slike produkter som ellers blir dumpet i havet, ville innebære store miljømessige og økonomiske fordeler. Når fiskeavfall som biprodukt kategori 2 ble blandet med dampeksplodert Salix og gjødsel i en kontinuerlig rørt tank reaktorer, økte avkastning i gjennomsnitt 35 % (Artikkel III). Fiskeavfall er et nitrogen rikt substrat og resirkulering av prosessvann ble også testet her for å evaluere stabiliteten av prosessen med hensyn til ammonium nivåer. Resirkulert råtnerest ga ikke bare økt metanutbytte, men favoriserte også stabilitet med en mikrobiell biomasse som var tolerant for nivåer av NH4+-N som vanligvis vil korrespondere med hemmende nivåer av ammoniakk (Artikkel III). Utråtning av et nitrogen rikt substrat sammen med en tilstrekkelig andel lignocellulose og husdyrgjødsel var avgjørende for å balansere næringsstofftilgangen og holde prosessen i gang. Nitrogen og fosfor ble mineralisert under anaerobe forhold, og omgjort til plante-tilgjengelige næringsstoffer. De ble derfor undersøkt for rensing og utvinning fra den våte råtneresten til faststoff fraksjoner ved hjelp av stuvitt utfelling og betonitt adsorpsjon og begge metoder gav interessante resultater med henholdsvis 90 og 80 % NH4+-N fjerning. Fosfat innholdet var lavt i den våte råtneresten, men noe ble fjernet, det meste som struvitt. Derfor, ved å ta hensyn til: i) en hensiktsmessig forbehandling, ii) et riktig blandingsforhold mellom forskjellige tilgjengelige råstoffer til trevirke, iii) at resirkulering kan gi høyere metanutbytte og styrker stabiliteten med et lavere ressursbehov, og iv) at gjenvinning av næringsstoffer i den våte råtneresten gir gode gjødselprodukter, kan biogassproduksjon i Norge blir attraktivt både til erstatning av fossile brensler til transport og som leverandør av næringsstoffer.