Two mesophilic trickling bed bioreactors filled with two different types of media, hydrophilic- and hydrophobic-cubes, were designed and tested for hydrogen production via anaerobic fermentation of sucrose. Each reactor consisted of a column packed with polymeric cubes and inoculated with heat-treated sludge obtained from anaerobic digestion tank. A defined medium containing sucrose was fed with changing flow rate into the capped reactor, hydraulic retention time and recycle rate. Hydrogen concentrations in gas-phase were constant, averaging 40% for all conditions tested. Hydrogen production rates increased up to $10.5 L{\cdot};h^{-1}{\cdot}L^{-1}$ of reactor when influent sucrose concentrations and recycle rates were varied. Hydrophobic media provided higher value of hydrogen production rate than hydrophilic media at the same operation conditions. No methane was detected when the reactor was under a normal operation. The major fermentation by-products in the liquid effluent of the both trickling biofilters were acetate and butyrate. The reactor filled with hydrophilic media became clogged with biomass and bio gas, requiring manual cleaning of the system, while no clogging occurred in the reactor with hydrophobic media. In order to make long-term operation of the reactor filled with hydrophilic media feasible, biofilm accumulation inside the media in the reactor with hydrophilic media and biogas produced from the reactor will need to be controlled through some process such as periodical backwashing or gas-purging. These tests using trickling bed biofilter with hydrophobic media demonstrate the feasibility of the process to produce hydrogen gas in a trickle-bed type of reactor. A likely application of this reactor technology could be hydrogen gas recovery from pre-treatment of high carbohydrate-containing wastewaters.
In this paper, we carried out the process modelling and economical analysis of the 500 kg-H2/d-class green hydrogen production system process based on biomethane from the Food Bio Energy Center in Chungju. As a result of economic analysis, the NPV(Net present value) after 15 years of operation is 3.831 billion won, the PI(Profitability index method) is 1.42. It was found that the project of 500 kg-H2/d-class green hydrogen production system has a 20.25% of IRR, which is higher than social discount rate of 4.5% and feasibility is ensured.
Animal manure is produced annually 43.7 million tonnes in Korea. Among them, about 85.6 % are used as compost or liquid fertilizer to the agricultural land. The animal manure can be effectively utilized by mixing with organic byproducts that result in generation of biogas from anaerobic co-digestion process. This study aimed to optimize the content of total solid materials (TS) and determine the effect of organic byproduct on the co-digestion process. Prior to the byproduct treatments, determination of proper content of TS was conducted by controlling at 5 or 10 %. For the byproduct treatments, swine manure without adding the byproduct was used for control treatment, and swine manure mixed with either corn silage or kitchen waste was used for other treatments. Volume of biomethane ($CH_4$) generated from digested materials was quantified before and after byproduct treatments. In result, a 1.4-fold higher biomethane, about 0.556 L/$L{\cdot}d$, was produced when the content of TS was controlled at 10 %, compared at 5 %, about 0.389 L/$L{\cdot}d$. When the swine manure was mixed with the corn silage or kitchen waste, a two-fold higher biomethane was produced, about 1.theand 1.0heL/$L{\cdot}d$, respectively, compared to the control treatment. Biogas production from organic dry matter (odm) was a3, 362eand 2h6 L/kg odm${\cdot}$d for control, corn silage, and kitchen waste treatment, respectively. The lower biogas production in the treatment of kitchen waste than that of corn silage is associated with its relatively high odm contents. The methane concentration during the whole process ranged from 40 at the beginning to 70 % at the end of process for both the control and kitchen waste treatments, and ranged from 52 to 70 % for the corn silage treatment. Hydrogen sulfide ($H_2S$) concentration ranged between 350 and 500 ppm. All the integrated results indicate that addition of organic byproduct into animal manure can double the generation of biogas from anaerobic fermentation process.
Journal of Korean Society of Environmental Engineers
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제31권5호
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pp.341-345
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2009
Continuous dry anaerobic digestion of organic solid wastes (30% TS, Total Solids) comprised of food waste and paper was performed under mesophilic condition. During the operation, hydraulic retention time (HRT) was decreased as follows: 150 d, 100 d, 60 d, and 40 d, which corresponded to the solid loading rate of 2.0, 3.0, 5.0, and 7.5 kg TS/$m^3$/d, respectively. Volumetric biogas production rate ($m^3$/$m^3$/d) increased as HRT decreased, and the highest biogas production rate of 3.49${\pm}$0.31 $m^3$/$m^3$/d was achieved at 40 d of HRT. At this HRT, high volatile solids (VS) reduction of 76% was maintained, and methane production yield of 0.25 $m^3$/kg $TS_{added}$ was achieved, indicating 67.4% conversion of organic solid waste to bioenergy. The highest biogas production yield of 0.52 $m^3$/kg $TS_{added}$ was achieved at 100 d of HRT, but it did not change much with respect to HRT. For the ease feed pumping, some amount of digester sludge was recycled and mixed with fresh feed to decrease the solid content. Recirculation volume of 5Q was found to be the optimal in this experimental condition. Specific methanogenic activity (SMA) of microorganisms at mesophilic-dry condition was 2.66, 1.94, and 1.20 mL $CH_4$/g VS/d using acetate, butyrate, and propionate as a substrate, respectively.
Journal of the Korea Organic Resources Recycling Association
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제27권4호
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pp.25-33
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2019
Operating characteristics of a 30 L microbial electrolysis cell (MEC) for producing biogas from sewage sludge was studied. During the 32-day inoculation period, carbon dioxide concentration decreased and methane concentration increased with operating time, and the overall methane content of biogas was 69.1% with a production rate of 171.6 mL CH4/L·d. In fed-batch experiments for 6 operating cycles, CH4 concentration of 66.5~77.2% was obtained at a production rate of 184.9~372.9 mL CH4/L·d, COD, TS and VS removal efficiency ranged from 28.2 to 42.1%, 20.7 to 37.5% and 18.5 to 36.9%, respectively. The MEC system was observed to be stabilized as operating cycles were repeated after inoculation. In the last operating cycle, 5221 mL/L of methane was produced with CH4 yield of 316.7 L CH4/kg CODrem, and the energy recovery was 73%.
In order to treat leachate from aged landfill site effectively, removal of biologically recalcitrant organic matter and denitrification efficiency were evaluated through the combination of $H_2O_2/O_3$ AOP pretreatment process and UASB process. The results can be summarized as follows. In case of leachate having low COD/N ratio from aged landfill site, it is possible to increase available COD for denitrification in nitrate utilizing denitrification and nitrite utilizing denitrification both by enhancing biodegradability of recalcitrant organic matter as applying $H_2O_2/O_3$ AOP to pretreatment process. In this experiment, it is found that available COD for denitrification can be increased to 1.0 and 0.4 g/day, respectively. Comparison has been made between requiring COD and available COD for denitrification in each experimental stages. It is expected that high rate of denitrification can be achieved with leachate from young landfill site because higher amount of available COD for denotrification is present in the leachate than the amount of requiring COD for denitrification. Especially, In leachate from aged landfill site with low COD/N ratio, it can be concluded that denitrification using nitrite nitrogen can enhance overall denitrification performance efficiently because denitrification using nitrite nitrogen requires less amount of carbon source than denitrification using nitrate nitrogen. Comparing the biogas production rate and nitrogen content of biogas under the condition of same amount of nitrate and nitrite addition, biogas production and nitrogen content of biogas are increased during denitrification after $H_2O_2/O_3$ AOP pretreatment process. Therefore, it can be confirmed that COD/N ratio in the leachate is increased. Applying $H_2O_2/O_3$ AOP as pretreatment system of landfill leachate seems to have little economic benefit because it requires additional carbon source to denitrify ammonia nitrogen in leachate coming from aged landfill site. However, it is possible to apply this pretreatment process to leachate from old landfill site in view of AOP process can achieve removal of biologically recalcitrant organic matter and increase of available COD for denitrification simultaneously.
Takahashi, J.;Mwenya, B.;Santoso, B.;Sar, C.;Umetsu, K.;Kishimoto, T.;Nishizaki, K.;Kimura, K.;Hamamoto, O.
Asian-Australasian Journal of Animal Sciences
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제18권8호
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pp.1199-1208
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2005
Abatement of greenhouse gas emitted from ruminants and promotion of biogas energy from animal effluent were comprehensively examined in each anaerobic fermentation reactor and animal experiments. Moreover, the energy conversion efficiency of biomass energy to power generation were evaluated with a gas engine generator or proton exchange membrane fuel cell (PEMFC). To mitigate safely rumen methanogenesis with nutritional manipulation the suppressing effects of some strains of lactic acid bacteria and yeast, bacteriocin, $\beta$1-4 galactooligosaccharide, plant extracts (Yucca schidigera and Quillaja saponarea), L-cysteine and/or nitrate on rumen methane emission were compared with antibiotics. For in vitro trials, cumulative methane production was evaluated using the continuous fermented gas qualification system inoculated with the strained rumen fluid from rumen fistulated Holstein cows. For in vivo, four sequential ventilated head cages equipped with a fully automated gas analyzing system were used to examine the manipulating effects of $\beta$1-4 galactooligosaccharide, lactic acid bacteria (Leuconostoc mesenteroides subsp. mesenteroides), yeast (Trichosporon serticeum), nisin and Yucca schidigera and/or nitrate on rumen methanogenesis. Furthermore, biogas energy recycled from animal effluent was evaluated with anaerobic bioreactors. Utilization of recycled energy as fuel for a co-generator and fuel cell was tested in the thermophilic biogas plant system. From the results of in vitro and in vivo trials, nitrate was shown to be a strong methane suppressor, although nitrate per se is hazardous. L-cysteine could remove this risk. $\beta$1-4 galactooligosaccharide, Candida kefyr, nisin, Yucca schidigera and Quillaja saponarea are thought to possibly control methanogenesis in the rumen. It is possible to simulate the available energy recycled through animal effluent from feed energy resources by making total energy balance sheets of the process from feed energy to recycled energy.
This study is on the investigation of hydrogen production and substrate removal by photosynthetic bacteria. After using of Rhodospillum rubrum KS-301 and IFO 3986, which are photosynthetic bacteria as strains, R. rubrum KS-301 was turned out a better strain. And result of experiment in which glucose and sodium lactate, components of wastewater, were used limiting substrates, showed that the productivity of hydrogen was indifferent with the kind of substrates. In batch experiments using free cells and immobilized whole cells, the decrease in hydrogen productivity was observed in the latter case. From the results of these experiments, specific growth rate of cells, specific utilization rate of glucose, and specific production rate of hydrogen were calculated. And each rate was expressed in the form of Monod equation of which parameters were estimated. Also the optimum condition of hydrogen production for free cells was $30^{\circ}C$, pH 7, and 12,000 Lux, and the optimum immobilized condition was as follows: initial immobilized cell concentration 1.0g/L, sodium alginate concentration 2% and light intensity 12,000 Lux.
Journal of the Korea Organic Resources Recycling Association
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제26권2호
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pp.85-93
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2018
Semi-dry anaerobic digestion experiment using dairy cattle manure collected from dairy cattle house was conducted to analyze efficiency of biogas production. As a first experiment, Biochemical Methane Potential (BMP) test was carried out according to certain ratio of sample mixtures: dairy cattle manure, pig slurry, and mixture of dairy cattle manure and pig slurry. The amount of methane accumulated during BMP test period was high in the experimental groups containing dairy cattle manure. As a second experiment, semi-dry anaerobic digestion experiment was carried out using only the dairy cattle manure collected from floor of the dairy cattle house. Judging from the experimental results, the optimum hydraulic retention time (HRT) of semi-dry anaerobic digestion for dairy cattle manure containing 13% of TS was 25 days. The amount biogas generated from the semi-dry anaerobic digestor with the TS of 13% of the dairy cattle manure ranged from 1.36~1.50v/v-d and the average was 1.44v/v-d. The optimum HRT of the semi-dry anaerobic digestor for dairy cattle manure containing TS of 15% and the semi-dry anaerobic digestor for dairy cattle manure containing TS of 17% was the same as 30 days. The amount biogas generated from the semi-dry anaerobic digestor with the TS of 15% of the dairy cattle manure ranged from 1.42~1.52v/v-d and the average was 1.47v/v-d. The amount biogas generated from the semi-dry anaerobic digestor with the TS of 17% of the dairy cattle manure ranged from 1.50~1.61v/v-d and the average was 1.55v/v-d.
Journal of the Korea Organic Resources Recycling Association
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제31권1호
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pp.27-34
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2023
In this study, spent mushroom substrate (SMS), which consits of lignocellulosic material, was pretreated by hydrothermal method; the changes of biodegradability and methane production yield of pretreated SMS were determined according to formation of lignocellulosic biomass degrading byproducts formation during thermal pretreatment. Based on the results, all hydrothermal pretreatment temperatures showed improved solubilization performance for biomass, and the optimum pretreatment effect was observed at an pretreatment temperature of 150℃ with the highest methane production yield. However, the induced formation of furan derivatives (i.e., 5-hydroxymethylfurfural and furfural) as byproducts during hydrolysis of hemicellulose and cellulose at severe condition lowered biodegradability and methane yield when the hydrothermal pretreatment temperature was higher than 180℃. Thus, this study revealed that hydrothermal pretreatment could promote anaerobic digestion efficiency of lignocellulosic biomass and is of great importance for preventing byproducts formation through pretreatment condition control.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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