Digestate-derived biochar as a functional carbon material to enhance methane yield and process stability in the anaerobic co-digestion of agro-industrial wastes

Het omzetten van afval in energie is een bekend concept in de moderne wereld, maar het proces is vaak een delicaat evenwicht. In het hart van deze inspanning ligt anaerobe vergisting, een natuurlijke methode waarbij microben organisch materiaal afbreken in de afwezigheid van zuurstof om biogas te produceren, een brandstof die rijk is aan methaan. Deze brandstof kan huizen en voertuigen aandrijven en biedt daarmee een schoner alternatief voor fossiele brandstoffen. Het proces is echter kwetsbaar. Wanneer boeren en voedselverwerkers verschillende soorten afval mengen om deze microbiële gemeenschappen te voeden, kan het systeem instabiel worden. De microben kunnen te veel zuur produceren, of de omgeving kan te giftig worden door ammoniak, waardoor de gehele operatie vertraagt of stopt. Om het systeem soepel te laten verlopen, zoeken wetenschappers al lang naar additieven die als een buffer kunnen dienen, de omgeving stabiliseren en de microben helpen efficiënter te werken. Een veelbelovende weg is het gebruik van koolstofrijke materialen, die schadelijke bijproducten kunnen absorberen en een oppervlak kunnen bieden waar gunstige bacteriën op kunnen groeien.

In een recente studie onderzochten onderzoekers een specifieke oplossing voor dit probleem: het omzetten van het resterende vaste afval uit het vergistingsproces zelf in een hulpmiddel om het proces te verbeteren. Na de initiële afbraak van afval blijft er een materiaal genaamd digestaat over. Hoewel dit vaak als meststof wordt gebruikt, kan het vaste deel van dit digestaat in een zuurstofarme omgeving worden verhit om een poreuze, houtskoolachtige substantie te creëren die bekend staat als biochar. De onderzoekers stelden een eenvoudige maar significante vraag: als ze dit vaste residu zouden nemen, er biochar van zouden maken en het weer aan de vergistingstank zouden toevoegen, zou het dan helpen om meer brandstof te produceren en het systeem stabiel te houden? Ze testten dit door de biochar te maken van het vaste deel van het digestaat en dit te verhitten tot een specifieke temperatuur, om het vervolgens te mengen met batches landbouw- en industriële afval in gecontroleerde laboratoriumomgevingen.

Het team testte vijf verschillende hoeveelheden van deze biochar-additief om het ideale punt te vinden. Ze observeerden dat het toevoegen van het materiaal de uitkomst inderdaad veranderde, maar slechts tot op zekere hoogte. Wanneer ze een kleine hoeveelheid toevoegden, verbeterde het systeem, maar het toevoegen van te veel maakte het niet beter en voegde simpelweg onnodig volume toe. De meest effectieve dosis werd gevonden bij één procent van het totale gewicht van het mengsel. Op dit specifieke niveau waren de resultaten duidelijk en meetbaar. Het totale gasvolume steeg aanzienlijk, van 619 milliliter naar 992 milliliter onder standaardomstandigheden. Belangrijker nog, de hoeveelheid methaan, de waardevolle brandstofcomponent, nam toe van 322 milliliter naar 565 milliliter. Het gas werd ook rijker aan methaan, verschuivend van 52 procent naar 57 procent, wat betekent dat de brandstof van hogere kwaliteit was.

Naast het produceren van meer gas, hielp de biochar het systeem soepeler te draaien. De onderzoekers maten de niveaus van vluchtige vetzuren, wat zure bijproducten zijn die de microben kunnen vergiftigen als ze zich ophopen, en vonden dat deze niveaus daalden. Op dezelfde manier nam de concentratie van totaal ammoniakal stikstof, een andere stof die het proces kan remmen, af. De hoeveelheid waterstofsulfide, een giftig en stinkend gas dat vaak met biogas wordt geassocieerd, ging ook omlaag. Door te analyseren hoe snel het gas werd geproduceerd over een bepaalde tijd, stelden de onderzoekers vast dat de microben eerder begonnen te werken en sneller hun piechtsnelheid bereikten wanneer de biochar aanwezig was. Dit suggereert dat het materiaal de microbiële gemeenschap hielp om zich sneller te vestigen en met grotere efficiëntie te opereren.

De studie onderzocht ook of dit idee zou kunnen werken in een echte, grootschalige biogasinstallatie. De onderzoekers berekenden de energie- en materiaalstromen die nodig zijn om het vaste afval te drogen, het te verhitten tot biochar en het terug te voeren in het systeem. Ze ontdekten dat een plant niet al zijn vaste afval in biochar hoeft om te zetten om voordelen te zien; slechts een deel zou noodzakelijk zijn. Ze identificeerden echter een aanzienlijke hindernis: de energie die nodig is om het natte vaste afval te drogen voordat het verhit wordt, is aanzienlijk. Hoewel het concept om afval te recyclen tot een nuttig additief solide is, hangt de praktische implementatie af van het vermogen van een installatie om genoeg warmte terug te winnen om het droogproces efficiënt te maken. De studie concludeert dat hoewel deze circulaire aanpak veelbelovend is voor het verbeteren van de methaanproductie en stabiliteit, succesvol grootschalig gebruik nauwkeurige tests van lokale droogcapaciteiten en langetermijnmonitoring vereist om ervoor te zorgen dat het systeem stabiel blijft.