Anaerobic digester modelling for production of biogas from waste hazelnut husk

Abstract

Anaerobic digestion is a degradation process of complex organic matters into methane and carbon dioxide in an oxygen-free environment maintained by microorganisms. An advantage, besides energy production, is it is a waste management technique. Hazelnut husk is a valuable raw material for the anaerobic digestion process with more than 55 % cellulose and hemicellulose content. Anaerobic Digestion Model No. 1 (ADM1) developed by IWA Group was used in this study. This master thesis modeled biogas production by co-digestion of cattle manure and hazelnut husk process in MATLAB. The goal was to evaluate the methane amount of a household bioreactor. Tanks-in-series model with 3 CSTRs was chosen after residence time distribution (RTD) analysis. Ten different cases were investigated to show the effects of carbon source/manure ratio, temperature, carbon source type, total solid (TS) amount, reactor type, and RTD analysis. The carbon source/manure ratio improves the methane yield as it increases. When the ratio is 1, methane yield is 0.229 L/kgVS whilst yield is 0.224 L/kgVS if the ratio is 0.1. The temperature effect on the process is significant. In the thermophilic case, the methane production is 0.432 L/d which is the highest amount compared to mesophilic and psychrophilic cases. When food waste is used as a carbon source with a ratio of food waste/manure of 0.1, the methane production is 0.410 L/d while it is 0.403 L/d in hazelnut husk digester. When the TS amount is doubled, the methane yield goes down from 0.224 to 0.149 L/kgVS because the residence time is not long enough to digest it as well as in case with lower total organic carbon level. In unmixed, mixed, and Chinese Dome Digester types of reactors, methane productions are 0.403, 0.646, and 0.552 L/d, respectively. In the ideal case, the methane production is 1.525 L/d which indicates the necessity of RTD analysis.

Anaerobik çürütme, mikroorganizmalar tarafından sağlanan oksijensiz bir ortamda karmaşık organik maddelerin metan ve karbondioksite bozunma sürecidir. Enerji üretiminin yanı sıra bir avantajı da atık yönetimi tekniği olmasıdır. Fındık kapçığı, %55'ten fazla selüloz ve hemiselüloz içeriği ile anaerobik çürütme işlemi için değerli bir hammaddedir. Bu çalışmada IWA Group tarafından geliştirilen Anaerobik Sindirim Modeli No. 1 (ADM1) kullanılmıştır. Bu yüksek lisans tezi, MATLAB'da sığır gübresi ve fındık kabuğu prosesinin birlikte çürütülmesiyle biyogaz üretimini modellemiştir. Çalışmanın amacı, bir ev tipi biyoreaktörün metan miktarını değerlendirmektir. Bekleme süresi dağılımı (RTD) analizinden sonra 3 seri bağlı CSTR modelinin uygun olduğu görülmüştür. Karbon kaynağı/gübre oranı, sıcaklık, karbon kaynağı türü, toplam katı (TS) miktarı, reaktör türü ve RTD analizinin etkilerini göstermek için 10 farklı durum incelenmiştir. Karbon kaynağı/gübre oranı arttıkça metan verimi de artar. Oran 1 olduğunda metan verimi 0.229 L/kgVS, oran 0.1 ise verim 0.224 L/kgVS'dir. Proses üzerindeki sıcaklığın etkisi önemlidir. Termofilik durumda metan üretimi 0,432 L/d ile mezofilik ve psikrofilik durumlara göre en yüksek miktardır. Gıda atığı/gübre oranı 0.1 olan reaktörde, gıda atıkları karbon kaynağı olarak kullanıldığında metan üretimi 0.410 L/d iken fındık kabuğu kullanılan çürütücüde 0.403 L/d'dir. TS miktarı iki katına çıkarıldığında, metan verimi 0.224'ten 0.149 L/kgVS'ye düşer, çünkü kalış süresi onu sindirmek için yeterince uzun değildir. Karışmamış, karışık ve Chinese Dome Digester tipi reaktörlerde metan üretimleri sırasıyla 0.403, 0.646 ve 0.552 L/d'dir. İdeal durumda metan üretimi 1.525 L/d'dir ve bu da RTD analizinin gerekliliğini gösterir.