BMP van Koreaanse voedselresten en afvalwater: studies van Cho (1995) en Lee (2009)

Een van de vroege publicaties over Koreaanse voedselresten – Cho, Park en Chang, Bioresource Technology 52(3) uit 1995 (p. 245–253) – behandelt afval met een droge stof (DS) gehalte van 15–30 procent. De onderzoekers van KAIST bepaalden het biochemisch methaanpotentieel (BMP) van de afvalcomponenten en hun mengsel (MFW), waarna zij de droge vergisting van het mengsel in tweefasige reactoren testten. Het is belangrijk twee groepen cijfers te onderscheiden: BMP (tot 482 mL CH₄/g oDS toegevoegd) en de opbrengst in de reactor (405–415 mL/g oDS gereduceerd).

Wie en waarom

De auteurs zijn onderzoekers van het Centrum voor Onderzoek naar Bioprocesengineering van het Koreaanse instituut KAIST in Daejeon (met deelname van het biomassa-team van het Korea Institute of Energy Research). Trefwoorden van de publicatie zijn: gemengde voedselresten, biochemisch methaanpotentieel, droge anaerobe vergisting in vaste toestand, twee fasen, vast bed en percolaat. Het doel was praktisch: een proces ontwikkelen voor keukenafval, dat in Korea 15–30 procent droge stof bevat, zonder toevoeging van grote hoeveelheden water.

Wat precies werd onderzocht

Volgens de samenvatting bedroegen de methaanopbrengsten: 482 mL CH₄/g oDS toegevoegd voor gekookt vlees, 356 voor cellulose (controle), 294 voor gekookte rijst, 277 voor verse kool en 472 voor het mengsel afval (MFW). De bijbehorende anaerobe biodegradeerbaarheid ten opzichte van de stoichiometrische methaanopbrengst bedroeg 0,82, 0,92, 0,72, 0,73 en 0,86. In een enkelfasige methaanreactor accumuleerden vluchtige vetzuren (VVZ) zich dermate sterk dat zij de methaangisting remden. Daarom werd MFW met een DS-gehalte van 20 procent vergist in tweefasige systemen met een vast bed, in reactoren van 1 l en 8 l. In de 8 l-reactor werd ook de invloed van percolaatrecirculatie op het bed onderzocht. In het 5 l-bed werden geen nutriënten, buffer of entslib toegevoegd.

Resultaten van droge vergisting

In alle gevallen werd 87–90 procent van de droge stof in het vaste bed gereduceerd, en circa 90 procent van de initiële oDS van het bed werd omgezet in biogas. De verwerkingstijd hing voornamelijk af van de prestaties van de methaanvergister: de hydraulische verblijftijd en de belasting. De methaanopbrengst bedroeg circa 405–415 mL/g oDS gereduceerd gedurende de gehele onderzoeksperiode, oftewel circa 86–88 procent van de BMP (uiteindelijke methaanopbrengst) voor hetzelfde monster.

Hoe de cijfers te interpreteren

De BMP-waarde beschrijft het maximale potentieel van het substraat onder laboratoriumomstandigheden, terwijl de opbrengst in de reactor aangeeft wat in een specifiek systeem werd bereikt. Het verschil is hier duidelijk: 405–415 mL/g oDS gereduceerd komt overeen met circa 86–88 procent van de BMP van het mengsel. Bij vergelijkingen dient u altijd te controleren:

• de eenheid – mL CH₄ per g oDS toegevoegd (BMP) of gereduceerd (opbrengst in reactor) zijn niet hetzelfde; het resultaat in mL/g verse massa zal aanzienlijk lager zijn;
• de samenstelling van het substraat – componenten (vlees, rijst, kool) verschillen tot wel tweemaal in BMP, terwijl het mengsel daartussenin ligt;
• het experimentele systeem – een enkelfasige reactor raakte geremd door VVZ, terwijl een tweefasig systeem met vast bed stabiel functioneerde.

Waarom de publicatie uit 1995 nog steeds wordt geciteerd

Volgens de bibliografische vermelding in de database Zhenzhi (343 citaties op het moment van controle) wordt de publicatie vaak geciteerd. Latere studies over Koreaanse voedselresten – bijvoorbeeld het onderzoek van Lee et al. naar percolaten, hieronder beschreven (358–478 mL/g oDS in de BMP-test) – tonen vergelijkbare ordes van grootte, wat het vertrouwen in het bereik van 350–480 mL/g oDS voor deze substraten vergroot. Een specifieke installatie kan hiervan afwijken.

Percolaat uit recycling van voedselresten (Lee et al., 2009)

Percolaat uit installaties voor de recycling van voedselresten (FWL) is in Korea een moeilijk te verwerken afvalwater. Lee, Behera, Kim en Park van de Universiteit van Ulsan (Waste Management 29(2), 2009, p. 876–882) onderzochten op laboratoriumschaal of FWL kan worden vergist in stortgasreactoren of anaerobe vergisters. Het gemiddelde vochtgehalte van het percolaat bedroeg 84 procent, en de verhouding VS/TS 91 procent; de elementaire samenstelling werd weergegeven met de formule C₁₃,₀₂H₂₃,₀₁O₅,₉₃N₁, en de biodegradeerbaarheid bedroeg 82,6 procent. In de standaard BMP-test werd 358 mL CH₄/g oDS verkregen na 10 dagen en 478 mL/g oDS na 28 dagen, bij een gemiddeld methaangehalte van circa 70 procent.

De hoogste opbrengst na 20 dagen (403 mL/g oDS) werd genoteerd bij 35°C, wat de auteurs toeschrijven aan de adaptatie van de micro-organismen van de stam aan mesofiele omstandigheden; bij 25, 45 en 55°C bedroeg dit respectievelijk 370, 351 en 275 mL/g oDS. Toevoeging van alkaliteit verhoogde de methaanopbrengst, en verdunning van FWL tot een zoutgehalte van 2 g/L NaCl leverde 561 mL CH₄/g oDS op na 30 dagen. De auteurs concluderen dat bij hoge biodegradeerbaarheid vergisting van FWL met controle van alkaliteit en zoutgehalte een duurzame oplossing kan zijn voor het probleem van percolaten. Het verschil tussen de resultaten na 10 en 28 dagen toont bovendien aan dat het BMP-resultaat afhankelijk is van de testduur.

Conclusies voor de praktijk

1. Voor mengsels van keukenafval is de BMP hoog (hier 472 mL/g oDS), maar de studie toont aan dat in de reactor 86–88 procent van deze waarde wordt bereikt, en de lage weerstand van een enkelfasig systeem tegen VVZ vereist scheiding van de fasen.
2. Droge vergisting (circa 20 procent DS) vereist andere apparatuur dan natte vergisting, en de aantrekkelijkheid ervan hangt onder meer af van de verwerking van het percolaat.
3. Het BMP-resultaat van één laboratorium dient te worden vergeleken met andere bronnen om de spreiding te schatten, en niet als een vaste waarde te worden beschouwd.
4. In de test met percolaat was de mesofiele temperatuur (35°C) het meest geschikt; alkaliteit en zoutgehalte beïnvloedden de opbrengst, dus in de praktijk vereisen zij controle.