Develop a pilot digester prototype for biogas generation through co-digestion of organic agro-waste materiale.

Abstract

The Costa Rican agricultural industry has tended to pose a threat to the environment due to the the dumping coupled with deficient management of the organic agro-waste materials generated from multiple agro-activities. These solid agro-wastes largely include banana and pineapple materials. These substrates have been either burnt or dumped openly in the aquatic bodies, triggering severe environmental and health pollution problems. To address challenges like this one, a pilot digester prototype was designed and constructed to test the three-selected common organic agro-waste materials. The experimental test aimed at using the batch and the constructed conventional pilot digester to evaluate the biogas production potential of the materials. The batch experiment focused upon evaluating each test substrate separately based on their respective BMP, whilst the pilot conventional reactor relied on combining the three substrates into a single feedstock for co-digestion, and hence biogas production. The substrates were obtained from the University banana farm and the banana packing unit, while pineapple peels were obtained from the cafeteria of the institution. The TS and VS values for the three substrates were; Ra: 8.5 % TS, 82 % VS; Ps: 8.6 % TS, 83.5 % VS; and Pp: 13.9 % TS, 91.8 % VS; respectively. The pilot reactor operated under environmental conditions, while the batch work under mesophilic temperature and automated agitation. The pilot reactor was first allowed to undergo a pre-stabilization time of seven days, to allow the biogas-forming microorganisms acclimatise to the new anaerobic environment, after which loading the system with test substrate begun. The pilot digester operated for 80 days of actual experiment, and had a HRT of 93 days, while the batch worked for 29 days. The pilot reactor was operated under the co-digestion technique at a constant feeding load of 0.180 kg/day of VS. A total biogas volume of 7756 L was collected, and a biogas yield of 0.113 m3/kg of VS with an average CH4 content of 32.3 % were obtained. The reactor’s maximum CH4 concentration was 76.4 %. The average biomethane volume for pineapple peels and banana rachis ranged between 427 mLN and 539 mLN of CH4 per day within the first 29 days of the experiment. In first 24 days, banana pseudostem produced an average biomethane volume of 703 mLN per day. The pilot reactor’s OLR used was 0.180 kg/m3 of VS per day, with a fermentation volume of 0.360 m3. The experiment indicated that, the pilot reactor generated nearly 0.097 m3/day of dry biogas, and that 1 kg of VS produced 113 L of dry biogas. Results confirmed that the three residues could be suitable for biogas production, but, their fibrous morphology makes it difficult.

La industria agrícola de Costa Rica ha mostrado una amenaza para el medio ambiente debido al vertimiento junto con una gestión deficiente de los residuos agrícolas orgánicos generados a partir de múltiples actividades agrícolas. Estos agro-desechos sólidos incluyen en gran medida materiales de plátano o banano y piña. Estos sustratos han sido quemados o vertidos abiertamente en los cuerpos acuáticos, lo que ha provocado graves problemas de contaminación ambiental y sanitaria. Para hacer frente a desafíos como estos, se diseñó y construyó un prototipo de digestor piloto para probar los tres materiales agrícolas orgánicos comunes que se seleccionaron. La prueba tuvo como objetivo utilizar el batch y el digestor piloto construido para evaluar el potencial de producción de biogás de los materiales. El experimento por batch se centró en la evaluación de cada sustrato de prueba por separado en función de su BMP respectiva, mientras que el reactor convencional piloto se basó en la combinación de los tres sustratos en una única materia prima para co-digestión, y entonces, para la producción de biogás. Los sustratos se obtuvieron de la finca bananera de la Universidad y de la unidad de empaque del banano, mientras que las cáscaras de piña se obtuvieron de la cafetería de la institución. Los valores TS y VS para los tres sustratos fueron; Ra: 8,5 % TS, 82 % VS; Ps: 8.6 % TS, 83.5 % VS y Pp: 13.9 % TS, 91.8 % VS, respectivamente. El reactor piloto funcionó en condiciones ambientales, mientras que el batch trabajó bajo la temperatura mesófila y agitación automatizada. Primero se permitió que el reactor piloto experimente un tiempo de pre-estabilización de 7 días, para permitir que los microorganismos formadores de biogás se aclimatarán al nuevo entorno anaeróbico, después de lo cual se comenzó a cargar el sistema con el sustrato de prueba. El digestor piloto funcionó por 80 días de experimento real, y tuvo una HRT de 93 días, mientras que el batch funcionó durante 29 días. El reactor piloto se hizo a funcionar bajo la técnica de co‑digestión a una carga de alimentación constante de 1,039 kg/día de SV. Se recolectó un volumen total de biogás de 7756 L y se obtuvo un rendimiento de biogás de 0.113 m3/kg de VS con un contenido promedio de CH4 de 32.3 %. La concentración máxima de CH4 del reactor fue 76,4 %. El volumen promedio de biometano para cáscaras de piña y raquis de banano varió entre 427 mLN y 539 mLN de CH4 por día dentro de los primeros 29 días del experimento. En los primeros 24 días, el pseudotallo produjo un volumen promedio de biometano de 703 mLN por día. El OLR del reactor piloto utilizado fue de 0.180 kg/m3 de VS por día, con un volumen de fermentación de 0.360 m3. El experimento indicó que, el reactor piloto generaba casi 0.097 m3 de biogás seco por día, y que 1 kg de VS producía 113 L de biogás seco. Los resultados confirmaron que los tres residuos podrían ser adecuados para la producción de biogás, pero su morfología fibrosa lo hace difícil.