Ny forskning från Texas A&M AgriLife Research-forskare visar att biokol har potential att göra anaerob nedbrytning av djurgödsel till en mer effektiv metod för att befria gårdar från avfall samtidigt som man producerar metan för energi.

Biokol är ett konstgjort träkolsmaterial som består av jordbruksavfall inklusive gödsel, skörderester och fodergräs. Det kan användas som hållbart gödningsmedel och för att filtrera ett brett spektrum av föroreningar, inklusive antibiotika, bekämpningsmedel och hormoner i avloppsvatten och vatten, samt att fånga upp växthusgaser och luktande gaser som koldioxid och ammoniak.

"Effekter av biokol från mejerigödsel på psykrofila, mesofila och termofila anaerob rötning av mjölkgödsel" av Dr. Hyun Min Jang, AgriLife Research miljöingenjör, Dr Yong-Keun Choi, Tarleton State University forskare och Dr. Eunsung Kan, AgriLife Research kemi- och miljöingenjör i Stephenville, publicerades nyligen i Biosource Technology .

Artikeln diskuterar potentialen med att använda biokol som ett accelererande material för att effektivisera anaerob rötning av mjölkgödsel i bioreaktorer för att förbättra nedbrytningen av avfall och producera metangas.

Den nuvarande hanteringen av husdjursgödsel omfattar bland annat att applicera avfall på odlingsmarker, Sa Kan. Nuvarande metoder genererar ofta lukter och växthusgaser och kan orsaka ekologiska problem nedströms, som algblomning och förorenat grundvatten.

"Värdet av den nya forskningen är att gödsel kan vara en problemkälla, och anaerob rötning med hjälp av biokol tjänar till att göra sig av med gödsel samtidigt som man producerar metan för att driva gården och eventuellt säljas till lokala kraftverk, " han sa.

Kan sa att gödsel är en mycket rik källa för bakterier involverade i anaerob matsmältning, som inkluderar fermentativa och metanproducerande bakterier, för omvandling av gödsel till metan i biogas och flyktiga organiska syror.

Metanogena bakterier är av särskilt intresse för Kan på grund av deras potential att producera metangas i en takt som kan driva en gård. Dock, metanogena bakterier visade sig vara den hastighetsbegränsande faktorn för anaerob matsmältning på grund av deras känsliga svar på driftsförhållanden som temperatur och pH-nivåer.

Kan sa att bioreaktorerna som används för att utföra anaerob rötning av avfallet - rötkammare - bara fungerar bra när miljöförhållandena är bra för båda bakterietyperna.

"Ibland gör miljöförhållanden det svårt att driva anaerob rötning på mjölkgårdar i områden som Wisconsin eller Texas där vädervariationerna är extrema, ", sa han. "Detta skulle göra processen inkonsekvent och svår att kontrollera."

Anaerob rötning av gödsel resulterar i lågt pH och andra oönskade förhållanden i bioreaktorn, som bromsar eller hämmar metanogen bakterietillväxt och metabolism när driftsförhållandena inte är optimala, Sa Kan.

Jang, huvudförfattaren, forskat på hur användningen av biokol skulle kunna övervinna dessa driftsproblem.

Biokol från gödsel är alkaliskt med ett pH på 8-9, Kan sa, och kan fungera som en utmärkt buffert för att upprätthålla det optimala pH-värdet för metanogena bakterier, som är runt pH 7. Den innehåller höga halter av näringsämnen och mineraler för att stödja hög bakterietillväxt, medan dess höga kolinnehåll berikar det mikrobiella samhället i samband med anaerob matsmältning.

Kan och Jang har hittills testat låga biokol-till-gödselförhållanden med lovande resultat. Mjölkgödsel blandat utan biokol och 0,1-1 procent biokol visade att tillsats av biokol ökade metanproduktionen med cirka 40 procent och minskade produktionstiden för att uppnå målbiogasproduktionen med 50-70 procent.

"Det minskade fördröjningsfasen, vilket är den tid som går innan produktionen startar, och halvera biogasproduktionstiden till hälften varje gång vi tillsatte mer biokol, " sa han. "Produktionstiden är en viktig faktor för ett mejeri med säg 1, 000 kor som producerar 8, 000 kilo torr gödsel varje dag, men att minska rötningstiden innebär också att storleken på den anaeroba bioreaktorn minskar med hälften."

Att minska uppehållstiden och fotavtrycket för rötkammare skulle innebära lägre initial investeringskostnad, vatten konsumption, brukskostnader, driftskostnader och markbehov, Sa Kan.

Men Kan sa att mer forskning behövs för att förstå förändringarna i mikrobiella samhällen med biokol och för att bestämma de optimala förhållandena för anaerob nedbrytning av gödsel innan forskare kan bygga en skalversion som kan testas och så småningom tillämpas på skalen för ett fungerande mejeri.

Kan tror att nuvarande teknik - laguner för hantering av mjölkgödsel - kan uppgraderas till anaeroba rötningsmedel som täcks och blandas med biokol. Att använda biokol i uppgraderade anaeroba laguner skulle öka biogasproduktionen och förkorta behandlingstiden samtidigt som växthusgaser och luktande gaser fångas upp.

Han sa att det finns goda indikationer på att forskare skulle kunna optimera förhållandena och sedan övergå till ett pilottest på ett mejeri inom de närmaste åren.

"Det finns goda indikationer på att biokol kommer att göra anaerob rötning till en hållbar lösning för effektivare hantering av djurgödsel med enklare operationer än konventionell rötning, ", sade han. "När vi optimerar förhållandena och går till testfasen på ett mejeri så kommer vi att veta vilka kapitalinvesteringar och fotavtryck som skulle vara nödvändiga för att bygga hållbara rötkammare som kan möta deponeringsbehoven och sedan tillämpa det på andra verksamheter baserat på deras kapacitet."