Bioconversion of livestock by-products into biogas: Experimental study of optimal fermentation conditions

Abstract

The bioconversion of organic waste into biogas is a substantial part of the company's strategy for sustainable development and reducing its environmental impact. The key factors affecting the efficiency of this process are fermentation temperature, carbon-to-nitrogen (C/N) ratio and substrate type. The study aimed to investigate the effect of temperature conditions, C/N ratio and different types of organic waste on biogas yield, particularly methane concentration, during anaerobic fermentation. Two temperature conditions were compared in the experiment: mesophilic (35°C) and thermophilic (55°C), using three types of organic waste: poultry manure, cattle manure and pig manure. The optimal C/N ratio was also studied to improve the energy efficiency of the process. Under thermophilic conditions, an increase in biogas yield by 20–28% and an increase in methane concentration by 5–10% were recorded compared to the mesophilic regime. The highest biogas yield (0.42 m3/kg of organic dry matter (OSR)) and methane concentration (70%) were achieved with poultry manure. In the thermophilic regime, the time to achieve stable gas production was also reduced to 7-8 days, which confirmed the effectiveness of this approach for industrial use. The thermophilic fermentation mode is more efficient for biogas production and increases the energy efficiency of the process. Optimisation of the C/N ratio and co-fermentation of different substrates further improved the efficiency. Poultry manure proved to be the most efficient substrate for bioconversion, which opens prospects for its use on an industrial scale. The results of the study can be used to optimise biogas fermentation technologies to improve the performance of biogas plants and reduce energy costs.

Біоконверсія органічних відходів у біогаз є важливою складовою стратегії сталого розвитку та зменшення впливу на довкілля. Ключовими факторами, що впливають на ефективність цього процесу, є температура ферментації, співвідношення вуглецю до азоту (C/N) та тип субстрату. Метою цієї роботи було дослідження впливу температурних режимів, співвідношення C/N та різних типів органічних відходів на вихід біогазу, зокрема концентрацію метану, при анаеробній ферментації. У експерименті порівнювались два температурні режими: мезофільний (35°C) та термофільний (55°C), із застосуванням трьох типів органічних відходів: пташиного посліду, гною великої рогатої худоби та свинячого гною. Вивчалося також оптимальне співвідношення C/N для покращення енергоефективності процесу. В умовах термофільного режиму було зафіксовано збільшення виходу біогазу на 20–28 % та зростання концентрації метану на 5–10 % у порівнянні з мезофільним режимом. Найвищий вихід біогазу (0.42 м3/кг органічної сухої речовини (OSR)) і концентрація метану (70 %) були досягнуті при використанні пташиного посліду. У термофільному режимі також було зафіксовано скорочення часу досягнення стабільного газовиділення до 7–8 днів, що підтвердило ефективність цього підходу для промислового використання. Термофільний режим ферментації є більш ефективним для виробництва біогазу та підвищує енергоефективність процесу. Оптимізація співвідношення C/N та ко-ферментація різних субстратів додатково покращили ефективність. Пташиний послід виявився найбільш ефективним субстратом для біоконверсії, що відкриває перспективи для його використання в промислових масштабах. Результати роботи можуть бути використані для оптимізації технологій біогазової ферментації, зокрема для поліпшення продуктивності біогазових установок та зменшення витрат на енергозабезпечення.