Effect of biochar addition on anaerobic digestion of laying hen manure

Abstract

Anaerobic digestion is considered one of the most antique and suitable methods for waste treatment from urban and rural areas. It usually involves the action of a variety of fermentative microorganisms that metabolize and generates sub products used as precursors for biogas production. It is known that in spite of its appealing benefits, such as biogas and digestate generation, anaerobic plants require proper control of monitoring parameters that can directly affect the overall efficiency of the treatment system. Parameters such as pH, total ammonia nitrogen, alkalinity, volatile fatty acids and organic matter should always be well managed in order to maximize microorganism’s activity and increase biogas production. Excess of total ammonia nitrogen for instance is one of the main reasons for anaerobic digestion failure since it can strongly affect fermentative microorganism’s activity. Some wastes are known for its problematic regarding high concentration of total ammonia nitrogen, for instance, laying hen manure. Recent research has shown interesting improvement in terms of mitigating the excess total ammonia nitrogen throughout the anaerobic digestion process. Improvements could come from adoption of anaerobic codigestion, dilution of residues with water, addition of zeolite, charcoal, activated carbon and biochar. The use of an adsorbent substance such as biochar as a component in the anaerobic digestion process is new and may have a positive impact on the anaerobic digestion process allowing better stability and overall equilibrium of fermentation reactions. In order to provide new and concrete results to the literature, the present study proposed to assess the use of biochar in the anaerobic digestion of hen manure as a way to mitigate negative and inhibitory effects, expecting better equilibrium regarding monitoring parameters, and possible increase in the biogas yield. Two different assays were carried out to assess different inclusions (at 2.5, 5.0, and 7.5%) of biochar in substrates of batch anaerobic reactors formed by laying hen manure diluted in water at 5 and 7% of total solids, respectively. From both experiments, it is possible to understand that biochar has great potential to be used as buffering substance in anaerobic reactors, however, regarding biogas production its use did not display a positive effect on biogas yield.

A digestão anaeróbia é considerada um dos métodos mais antigos e adequado para o tratamento de resíduos de zonas urbanas e rurais. Esse processo envolve a ação de uma gama de microrganismos fermentativos que metabolizam e geram subprodutos usados como precursores para a produção de biogás. Sabe-se que, apesar de seus benefícios, como a geração de biogás e digestato, plantas de biogás exigem o controle adequado dos parâmetros de monitoramento os quais podem afetar diretamente a eficiência geral do sistema de tratamento. Parâmetros como pH, nitrogênio amoniacal total, alcalinidade, ácidos graxos voláteis e matéria orgânica devem sempre ser bem gerenciados, a fim de maximizar a atividade dos microrganismos e aumentar a produção de biogás. O excesso de nitrogênio amoniacal total, por exemplo, é uma das principais razões para a ineficiência na digestão anaeróbia, uma vez que pode afetar fortemente a atividade de microrganismos fermentativos. Alguns resíduos são conhecidos por sua problemática em relação aos elevados valores e concentrações de nitrogênio amoniacal total a exemplo, dejetos de aves poedeiras. Recentes estudos mostraram melhorias na tocante mitigação do excesso de nitrogênio amoniacal total no processo de digestão anaeróbica. Tem-se sugerido a adoção de codigestão anaeróbia, diluição de resíduos em água, adição de zeolita, carvão comercial, carvão ativado e biochar. O uso de substâncias adsorventes como o biochar na digestão anaeróbia é novo, e é perceptível o seu impacto positivo no processo de digestão anaeróbia, permitindo maior estabilidade e equilíbrio global das reações. A fim de fornecer resultados novos e concretos à literatura, o presente estudo propôs avaliar o uso do biochar na digestão anaeróbia de dejetos de galinhas poedeiras como forma de mitigar efeitos inibitórios, esperando melhor equilíbrio em relação aos parâmetros de monitoramento, e possível aumento nos rendimentos de biogás. Foram realizados dois ensaios de digestão anaeróbia nos quais foram estudados a inclusão de diferentes concentrações (a 2,5; 5,0 e 7,5%) de biochar em substratos de biodigestores bateladas contendo dejetos de aves poedeiras diluídos em água a 5 e a 7% de sólidos totais. Respectivamente. De ambos os experimentos, foi possível entender que o biochar tem grande potencial para ser utilizado como substância tamponante em reatores anaeróbios, entretanto, em relação ao rendimento de biogás, seu uso não apresentou efeito positivo.