W gospodarce odpadami organicznymi sprzyjającymi rozwiązaniami są biologiczne procesy ich przetwarzania, obejmujące kompostowanie oraz produkcję biogazu. W przypadku biogazowni rolniczych możliwy jest m.in. odzysk energii w ramach produkcji biometanu lub energii elektrycznej oraz ciepła. Podstawą prawidłowego funkcjonowania instalacji jest jednak zapewnienie codziennych dostaw substratów. Wsad do biogazowni stanowią nie tylko uprawy celowe (kiszonki z kukurydzy, trawy), ale coraz częściej wykorzystuje się także inne substraty, w tym odpady i produkty uboczne przemysłu rolno-spożywczego. Poza tym do produkcji biogazu rolniczego stosuje się również niezagospodarowaną żywność pochodzenia roślinnego, składającą się między innymi 10 z selektywnie zebranych, a niesprzedanych warzyw i owoców, odpadów z targowisk czy pozostałości z gospodarstw domowych. Mimo dużej gamy wykorzystywanych odpadów w biogazowniach, wciąż poszukuje się nowych substratów, jak również innowacyjnych technologii. Działania te mają na celu zwiększenie opłacalności ekonomicznej instalacji oraz winny sprzyjać poprawie stanu środowiska związanego z przetwarzaniem odpadów. Za przykład alternatywnego, innowacyjnego rozwiązania pozwalającego na produkcję biogazu, a następnie energii, uznać można wykorzystanie w tym procesie gospodarki odpadami larw owadów Hermetia illucens. Larwy te charakteryzują się szybkim przyrostem biomasy oraz wysoką zawartością białka i tłuszczy w suchej masie. W związku z tym owady te można z powodzeniem wykorzystać do procesu biokonwersji odpadów organicznych pochodzenia roślinnego. Poza tym, rozwiązanie to należy uznać za interesujące i innowacyjne, pozwalające w zintegrowanym procesie zagospodarować wybrane odpady organiczne oraz wyprodukować biogaz rolniczy, zaliczany do odnawialnych źródeł energii.
[ze Wstępu]
Biogazownie rolnicze do produkcji energii w coraz większym stopniu wykorzystują odpady. W związku z tym proces fermentacji metanowej zachodzący w biogazowniach wydaje się być optymalnym rozwiązaniem, umożliwiającym racjonalne zagospodarowanie odpadów organicznych z jednoczesną produkcją energii. Jednym z innowacyjnych rozwiązań pozwalającym na produkcję biogazu, a następnie energii, może okazać się wykorzystanie larw owadów Hermetia illucens. W pracy analizowano możliwości zastosowania wybranych odpadów organicznych pochodzenia roślinnego w procesie produkcji biogazu rolniczego oraz w hodowli larw Hermetia illucens przeznaczonych do celów energetycznych.
Problem naukowy został sformułowany w postaci pytania: czy zastosowanie procesu biokonwersji odpadów organicznych z wykorzystaniem owadów Hermetia illucens pozwoli podnieść efektywność energetyczną oraz ekonomiczną funkcjonowania biogazowni (włączając w to również wykorzystanie produktów ubocznych), w porównaniu do fermentacji samych odpadów?
W badaniach nad wydajnością biogazową oraz metanową użyto 18 wybranych odpadów organicznych oraz larwy Hermetia illucens wraz z substratami związanymi z ich produkcją i przetwarzaniem: wytłoki po ekstrakcji tłuszczu owadziego, sam tłuszcz, rozdrobnione larwy, wysuszone larwy czy odchody larw.
Na podstawie uzyskanych danych z badań opracowano innowacyjną technologię biokonwersji odpadów organicznych, w tym wycofanej ze sprzedaży żywności, w ramach procesu odzysku. Z kolei na podstawie wydajności biogazowych i metanowych odpadów oraz larw i ich frakcji przeprowadzono obserwację dotyczącą efektywności energetycznej. Jednocześnie uwzględniając właściwości uzyskanych pofermentów, wykonano również analizę ekonomiczną dla pięciu zaproponowanych technologii.
Odpady wykorzystane w badaniach charakteryzowały się między innymi dużym zakresem wahań zawartości suchej masy przy zawartości materii organicznej wynoszącej ponad 80%, co kwalifikuje je do wykorzystania w procesie fermentacji metanowej. Równie dobre wyniki zaobserwowano w odniesieniu do larw Hermetia illucens oraz produktów związanych z ich produkcją i przetwarzaniem.
Na podstawie uzyskanych wyników stwierdzono, że wytłoki były wartościowym substratem do biogazowni rolniczej. Sprzedaż pozyskanego tłuszczu może mieć korzystny wpływ na bilans ekonomiczny funkcjonowania biogazowni.
Pracę zrealizowano w ramach projektu „IN-OIL: „Innowacyjna metoda biokonwersji produktów ubocznych przemysłu spożywczego” finansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju – Program Lider VII, nr umowy: LIDER/5/0148/L-7/15/ NCBR/2016.
WYKAZ WAŻNIEJSZYCH OZNACZEŃ I SKRÓTÓW
1. WSTĘP
2. PRZEGLĄD LITERATURY
2.1. Charakterystyka odpadów ulegających biodegradacji
2.2. Procesy biologicznego przetwarzania odpadów biodegradowalnych
2.3. Przebieg i parametry procesu fermentacji metanowej
2.4. Rynek biogazu rolniczego w Polsce
2.5. Substraty wykorzystywane do produkcji biogazu rolniczego
2.6. Zastosowanie różnych rodzajów konwersji substratów zwiększających ich podatność na fermentację
2.7. Hermetia illucens – charakterystyka i wykorzystanie w gospodarce odpadami
3. WYZWANIA DLA DALSZYCH BADAŃ
4. PROBLEM NAUKOWY I HIPOTEZA
5. MATERIAŁY ORAZ METODYKA BADAWCZA
5.1. Schemat przeprowadzonych badań
5.2. Wykorzystywane do badań odpady organiczne i ich właściwości
5.3. Hodowla owadów Hermetia illucens i ich przetwarzanie
5.4. Proces fermentacji metanowej
5.5. Badania właściwości pofermentów
5.6. Obliczenia energetyczne dla wybranych technologii
5.7. Obliczenia ekonomiczne dla wybranych technologii
6. WYNIKI BADAŃ I ICH OMÓWIENIE
6.1. Przetwarzanie wybranych odpadów w procesie fermentacji okresowej
6.2. Przetwarzanie odpadów z wykorzystaniem owadów Hermetia illucens
6.3. Właściwości nawozowe wytworzonej pulpy pofermentacyjnej
6.4. Efektywność energetyczna badanych technologii
6.5. Efektywność ekonomiczna badanych technologii
6.6. Aspekt środowiskowy i społeczny zastosowanych rozwiązań
7. DYSKUSJA
8. PODSUMOWANIE
WNIOSKI
ANEKS
LITERATURA
Agricultural biogas plants use more and more often waste for energy production. Therefore, the process of anaerobic digestion taking place in biogas installations is suitable, allowing for rational use of organic waste with energy production at the same time. One of the innovative solutions for the production of biogas and afterwards energy is the use of insect larvae Hermetia illucens. The presented research analyzed the possibilities of using selected plant origin waste in the process of agricultural biogas production and in breeding of Hermetia illucens larvae for energy purposes.
The scientific problem was formulated in the form of a question: will the use of organic waste in the bioconversion process with the use of Hermetia illucens insects increase the energy and economic efficiency of biogas plants (including the use of byproducts), compared to the fermentation of the waste itself?
In the research on biogas and methane efficiency, 18 selected organic wastes and Hermetia illucens larvae along with substrates associated with their production and processing: residue after oil extraction, oil, shredded larvae, dried larvae, and larva excrements were used.
Based on the obtained data from the research, an innovative technology for the bioconversion of organic waste, including the withdrawal from the sale of food as part of the recovery process was created. In turn on the basis of biogas and methane efficiency of waste as well as larvae and their fractions, an analysis regarding energy efficiency was carried out. At the same time, considering the properties of the obtained digestate, an economic analysis for the five proposed technologies was also performed.
The waste used in the research was characterized, among others wide range of fluctuations in total solids, with a volatile total solids content of over 80%, which qualifies them for use in the methane fermentation process. Equally good results were observed for Hermetia illucens and product associated with their production and processing.
Based on the obtained results, it was found that the residue after oil extraction was a valuable substrate for agricultural biogas plants. The sale of the obtained oil can give a large additional benefit having an impact on the economic balance of the biogas plant operation.
This study was performed in the frame of the IN OIL project: An innovative method for bioconversion of by-products from food processing industry that was financed by the National Centre for Research and Development within the Lider VII Programme No. LIDER/5/0148/L-7/15/NCBR/2016.
The efficiency of organic waste bioconversion into biogas in fermentation processes using Hermetia illucens insects
Abstract
