BMP koreańskich odpadów żywnościowych i odcieków: prace Cho (1995) i Lee (2009)

Jedna z wczesnych prac o koreańskich odpadach żywnościowych – Cho, Park i Chang, Bioresource Technology 52(3) z 1995 r. (s. 245–253) – dotyczy odpadów o zawartości 15–30 proc. suchej masy (s.m.). Autorzy z KAIST zmierzyli biochemiczny potencjał metanowy (BMP) składników odpadów i ich mieszaniny (MFW), a następnie sprawdzili fermentację suchą mieszaniny w reaktorach dwufazowych. Warto rozróżnić dwie grupy liczb: BMP (do 482 mL CH₄/g s.m.o. dodanej) oraz wydajność w reaktorze (405–415 mL/g s.m.o. zredukowanej).

Kto i po co

Autorami są badacze z Centrum Badań Inżynierii Bioprocesowej koreańskiego instytutu KAIST w Taejon (z udziałem zespołu biomasy Korea Institute of Energy Research). Słowa kluczowe pracy to: mieszane odpady żywnościowe, biochemiczny potencjał metanowy, sucha fermentacja beztlenowa w stanie stałym, dwie fazy, łoże stałe i odciek. Cel był praktyczny: opracować proces dla odpadów kuchennych, które w Korei zawierają 15–30 proc. suchej masy, bez dodawania dużych ilości wody.

Co dokładnie badano

Według abstraktu wydajności metanu wyniosły: 482 mL CH₄/g s.m.o. dodanej dla mięsa gotowanego, 356 dla celulozy (kontrola), 294 dla ryżu gotowanego, 277 dla świeżej kapusty i 472 dla mieszaniny odpadów (MFW). Odpowiadające im biodegradowalności beztlenowe w stosunku do stechiometrycznej wydajności metanu wyniosły 0,82, 0,92, 0,72, 0,73 i 0,86. W jednofazowym reaktorze metanowym lotne kwasy tłuszczowe (LKT) gromadziły się tak silnie, że hamowały fermentację metanową, dlatego MFW o zawartości 20 proc. s.m. fermentowano w układach dwufazowych z łożem stałym, w reaktorach 1 l i 8 l. W reaktorze 8 l badano też wpływ recyrkulacji odcieku na łoże. W łożu 5 l nie dodawano biogenów, buforu ani osadu zaszczepiającego.

Wyniki fermentacji suchej

We wszystkich przypadkach zredukowano 87–90 proc. suchej masy w łożu stałym, a ok. 90 proc. początkowej s.m.o. łoża zostało przekształcone w biogaz. Czas przetwarzania zależał głównie od wydajności fermentora metanowego: czasu zatrzymania hydraulicznego i obciążenia. Wydajność metanu wynosiła ok. 405–415 mL/g s.m.o. zredukowanej w całym okresie badania, czyli ok. 86–88 proc. BMP (ostatecznej wydajności metanu) dla tej samej próbki.

Jak czytać liczby

Wartość BMP opisuje maksymalny potencjał substratu w warunkach testu laboratoryjnego, a wydajność w reaktorze – to, co osiągnięto w konkretnym układzie. Różnica jest tu wyraźna: 405–415 mL/g s.m.o. zredukowanej to ok. 86–88 proc. BMP mieszaniny. Przy porównaniach należy zawsze sprawdzać:

• jednostkę – mL CH₄ na g s.m.o. dodanej (BMP) lub zredukowanej (wydajność w reaktorze) nie są tym samym; wynik w mL/g świeżej masy będzie wielokrotnie niższy;
• skład substratu – składniki (mięso, ryż, kapusta) różnią się BMP nawet dwukrotnie, a mieszanina leży pomiędzy;
• układ doświadczalny – jednofazowy reaktor uległ zahamowaniu przez LKT, dwufazowy z łożem stałym działał stabilnie.

Dlaczego praca z 1995 r. jest nadal cytowana

Według zapisu bibliograficznego w bazie Zhenzhi (343 cytowania w czasie sprawdzania) praca jest często cytowana. Późniejsze badania nad koreańskimi odpadami żywnościowymi – np. praca Lee i in. o odciekach, opisana niżej (358–478 mL/g s.m.o. w teście BMP) – wskazują zbliżone rzędy wielkości, co zwiększa zaufanie do zakresu rzędu 350–480 mL/g s.m.o. dla tych substratów. Konkretna instalacja może od niego odbiegać.

Odciek z recyklingu odpadów żywnościowych (Lee i in., 2009)

Odciek z zakładów recyklingu odpadów żywnościowych (FWL) jest w Korei trudnym do zagospodarowania ściekiem. Lee, Behera, Kim i Park z Uniwersytetu w Ulsan (Waste Management 29(2), 2009, s. 876–882) badali w skali laboratoryjnej, czy FWL można fermentować w bioreaktorach składowiskowych lub fermentorach beztlenowych. Średnia wilgotność odcieku wynosiła 84 proc., a stosunek VS/TS – 91 proc.; skład pierwiastkowy ujęto wzorem C₁₃,₀₂H₂₃,₀₁O₅,₉₃N₁, a biodegradowalność wyniosła 82,6 proc. W standardowym teście BMP uzyskano 358 mL CH₄/g s.m.o. po 10 dniach i 478 mL/g s.m.o. po 28 dniach, przy średniej zawartości metanu ok. 70 proc.

Najwyższą wydajność po 20 dniach (403 mL/g s.m.o.) zanotowano w 35°C, co autorzy wiążą z adaptacją mikroorganizmów szczepu do warunków mezofilowych; w 25, 45 i 55°C było to odpowiednio 370, 351 i 275 mL/g s.m.o. Dodatek alkaliczności zwiększał wydajność metanu, a rozcieńczenie FWL do zasolenia 2 g/L NaCl dało 561 mL CH₄/g s.m.o. po 30 dniach. Autorzy wnioskują, że przy wysokiej biodegradowalności fermentacja FWL z kontrolą alkaliczności i zasolenia może być zrównoważonym rozwiązaniem problemu odcieków. Różnica między wynikami po 10 i 28 dniach pokazuje przy tym, że wynik BMP zależy od czasu testu.

Wnioski dla praktyki

1. Dla mieszanin odpadów kuchennych BMP jest wysoki (tu 472 mL/g s.m.o.), ale praca pokazuje, że w reaktorze osiąga się 86–88 proc. tej wartości, a mała odporność jednofazowego układu na LKT wymaga rozdzielenia faz.
2. Fermentacja sucha (ok. 20 proc. s.m.) wymaga innego sprzętu niż mokra, a jej atrakcyjność zależy m.in. od zagospodarowania odcieku.
3. Wynik BMP z jednego laboratorium należy zestawiać z innymi źródłami, aby oszacować rozrzut, a nie traktować pojedynczej liczby jako stałej.
4. W teście na odcieku najlepsza była temperatura mezofilowa (35°C); alkaliczność i zasolenie wpływały na wydajność, więc w praktyce wymagają kontroli.