CONRAD – Enhancement of Biogas production through CO2 enrichment without exogenous H2

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: SI/502382

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Das CONRAD-Projekt zielt darauf ab, die Steigerung der Biogasproduktion (Methanausbeute, Methankonzentration, Kinetik, CO2-Emissionen) durch CO2-Anreicherung ohne Zugabe von exogenem H2 zu demonstrieren. Obwohl die bisherigen Ergebnisse in der Literatur in einigen Fällen sehr überzeugend sind, fehlt ein roter Faden zwischen den durchgeführten Studien, und die Ergebnisse müssen vor einer Vergrößerung bestätigt werden. In diesem Projekt werden wir versuchen, die in der Literatur erzielten Ergebnisse mit einem 70-L-Fermenter zu reproduzieren. Darüber hinaus werden wir versuchen, mit Hilfe von leitfähigen Kohlenstoffmaterialien zu zeigen, dass die Nutzung von exogenem CO2 im Fermenter auch über andere Wege als die Verwendung von Wasserstoff als Co-Substrat erfolgen kann.

 

Kurzbeschreibung (Englisch)

The CONRAD project aims at demonstrating the enhancement of biogas production (methane yield, methane concentration, kinetics, CO2 emissions) through CO2 enrichment process without addition of exogenous H2.Although the previous results presented in the literature are for some cases very convincing, a common thread is missing between the studies carried out and the results need to be confirmed before scal-ing up. In this project, we will attempt to reproduce the results obtained in the literature using a 70-L digester. This will also allow the collection of new and fundamental information on the kinetics of CO2 use through an experimental design and the use of statistical analysis (t-tests, analysis of variance).In addition, using conductive carbon materials, we will attempt to demonstrate that the use of exoge-nous CO2 in the digester can take place via alternative routes other than those using hydrogen as a co-substrate.

Kurzbeschreibung (Französisch)

Le projet CONRAD a pour objectif de démontrer l’amélioration de la production du biogaz (rende-ment et composition en méthane, cinétique, émissions de CO2) par enrichissement des digesteurs anaérobie en CO2 sans ajout de H2. Bien que les résultats antérieurs présentés dans la littérature soient pour certains très probants, il manque un fil conducteur entre les études réalisées et les résul-tats nécessitent d’être confirmés avant de passer à plus grande échelle. Dans ce projet, nous nous attacherons à reproduire les résultats obtenus dans la littérature au moyen d’un digesteur de 70-L. Cela permettra également de recueillir des informations inédites et fondamentales sur la cinétique d’utilisation du CO2 à travers un plan d’expérience et le recours à l’analyse statistique (t-tests, ana-lyse de variance). Par ailleurs, grâce à l’utilisation de matériaux carbonés conducteurs, nous tenterons de démontrer que l’utilisation du CO2 exogène dans le digesteur peut s’effectuer via des voies alternatives autres que celles utilisant le dihydrogène comme co-subtrat.

Schlussbericht (Deutsch)

Das CONRAD-Projekt startete am 01.04.2022 und dauerte 16 Monate. Sein Ziel war es, die Verbesserung der Biogasproduktion (Methanausbeute und  Zusammensetzung, Kinetik, CO2- Emissionen) durch Anreicherung anaerober Fermenter mit CO2 ohne H2-Zugabe nachzuweisen. Obwohl die in der Literatur vorgestellten früheren Ergebnisse zum Teil sehr überzeugend sind, fehlt ein roter Faden zwischen den durchgeführten Studien und die Ergebnisse bedürfen einer Bestätigung, bevor sie in größerem Maßstab umgesetzt werden können. In diesem Projekt konzentrierten wir uns darauf, die Ergebnisse aus der Literatur mithilfe eines 70-LFermenters zu reproduzieren. Unser Ziel war es außerdem, Informationen über die Kinetik der CO2- Nutzung zu sammeln und gleichzeitig die Menge des gelösten CO2 und dessen Auswirkungen auf die Fermentationsprozesse zu kontrollieren. Um dies zu erreichen, stützten wir unseren Ansatz auf die Charakterisierung des anorganischen Kohlenstoffs, die kostengünstiger und weniger aufwändig ist als andere Analysemethoden wie die Messung von stabilen Isotopen oder molekularbiologische Analysen. Die Originalität dieses Ansatzes liegt in der Verwendung einer NDIR-CO2-Sonde, die es uns ermöglichte, in situ, kontinuierlich und in Echtzeit Messungen und des im Fermenter gelösten CO2 durchzuführen. Soweit wir wissen, ist dies das erste Mal, dass eine solche Sonde in einem anaeroben Fermenter eingesetzt wird, und ihr Interesse und Potenzial geht weit über das vorliegende Projekt hinaus. Die wichtigsten Ergebnisse, die im Rahmen des CONRAD-Projekts erzielt wurden, können wie folgt zusammengefasst werden:

- Die Leistung des Fermenters unter Anreicherung (durchschnittlicher CH4-Gehalt des Biogases: 66,8% ± 0,5, Methanausbeute: 209 ± 17 LCH4/gSV) ist besser als die im Fermenter im Normalbetrieb (durchschnittlicher CH4-Gehalt des Biogases: 62,7 % ± 0,3, Methanausbeute: 151 ± 15 LCH4/gSV) erzielte Leistung. Diese Verbesserungen werden auf thermodynamische Phänomene zurückgeführt, die mit dem Rückgang der Alkalinität bei konstantem pH-Wert im Fermenter unter Anreicherung zusammenhängen. Der Anstieg (+38%) der Methanausbeute durch die Anreicherung ist höher als in der Literatur angegeben, da wir darauf geachtet haben, die Menge des eingeleiteten CO2 zu kontrollieren, aber folglich ist unsere CO2 Wiederverwendungsrate (geschätzt auf 12%) niedriger.

- Aus kinetischer Sicht haben wir festgestellt, dass die Zugabe von CO2 die Kinetik der Hydrolyse, die bei der Verdauung von Substraten mit hohem Proteingehalt wie Faulschlamm ein limitierender Schritt ist, wahrscheinlich durch die entstehenden lokalen pH-Wert-Absenkungen erhöht. Dieser Punkt ist wahrscheinlich das, was alle bisherigen Studien miteinander verbindet.

- Die Anreicherung mit CO2 verbessert auch die Verfügbarkeit von CO2 in einem Faulbehälter, der bei proteinreichen Substraten zu CO2-Mangel neigt.

- Mithilfe der CO2-Sonde konnten wir die Metabolisierung von exogenem CO2 demonstrieren und ein besseres Verständnis der anaeroben Verdauung, insbesondere der Hydrolysephase, erlangen.

- Schließlich erwies sich die CO2-Injektion als wirksames Mittel, um der potenziellen Ammoniakvergiftung entgegenzuwirken, die bei der Verwendung eines Substrats mit hohem Stickstoffgehalt (Protein) häufig auftritt.

Die im Rahmen dieses Projekts erzielten Ergebnisse sind nicht nur überzeugend, sondern bieten auch zahlreiche neue Perspektiven, die am Ende dieses Berichts vorgestellt werden.

Schlussbericht (Englisch)

The CONRAD project started on 01/04/2022 and lasted 16 months. Its aim was to demonstrate improved biogas production (methane yield and composition, kinetics, CO2 emissions) by enriching anaerobic digesters with CO2 without adding H2. Although some of the previous results presented in the literature are very convincing, a common thread is missing between the studies carried out, and the results need to be confirmed before being scaled up. In this project, we set out to reproduce the results obtained in the literature using a 70-L digester. Our aim was also to gather information on the kinetics of CO2 utilization while controlling the amount of dissolved CO2 and its impact on digestion processes. To achieve this, we based our approach on the characterization of inorganic carbon, which is less costly and less restrictive than other analytical methods such as stable isotope measurements or molecular biology analyses. The originality of this approach lies in the use of a CO2 NDIR probe, which enabled us to make continuous, real-time in situ measurements of CO2 dissolved in the digester. To our knowledge, this is the first time such a probe has been used in an anaerobic digester, and its interest and potential extend far beyond the present project. The main results of the CONRAD project can be summarized as follows:

- The performance of the digester under enrichment (average CH4 content of biogas: 66.8% ± 0.5, methane yield: 209 ± 17 LCH4/gVS) is superior to that obtained in the digester under normal operation (average CH4 content of biogas: 62.7% ± 0.3, methane yield: 151 ± 15 LCH4/gVS). These improvements are attributed to thermodynamic phenomena linked to the drop in alkalinity at constant pH in the digester under enrichment. The increase (+38%) in methane yield thanks to enrichment is higher than those reported in the literature because we took care to control the amount of CO2 injected, but consequently our CO2 utilization rate (estimated at 12%) is globally lower.

- From a kinetic point of view, we have found that the addition of CO2 increases the kinetics of hydrolysis, a limiting step in the digestion of high-protein substrates such as digested sludge, probably due to the localized pH drops that are created. This point is probably what links all the studies carried out to date.

- CO2 enrichment also improves CO2 availability in a digester, which tends to run out of CO2 when the substrate used is protein-rich.

- The CO2 probe enabled us to demonstrate the metabolism of exogenous CO2 and to gain a better understanding of anaerobic digestion, in particular the
hydrolysis phase.

- Finally, CO2 injection proved to be an effective means of counteracting the potential ammonia poisoning common when using a substrate with a high nitrogen content (proteins).

The results obtained during this project are not only conclusive, but also offer many new perspectives, which are presented at the end of this report.

Schlussbericht (Französisch)

Le projet CONRAD a démarré le 01/04/2022 a duré 16 mois. Il avait pour objectif de démontrer l’amélioration de la production du biogaz (rendement et composition en méthane, cinétique, émissions de CO2) par enrichissement des digesteurs anaérobies en CO2 sans ajout de H2. Bien que les résultats antérieurs présentés dans la littérature soient pour certains très probants, il manque un fil conducteur entre les études réalisées et les résultats nécessitent d’être confirmés avant de passer à plus grande échelle. Dans ce projet, nous nous sommes attachés à reproduire les résultats obtenus dans la littérature au moyen d’un digesteur de 70-L. Notre but était également de recueillir des informations sur la cinétique d’utilisation du CO2 tout en contrôlant la quantité de CO2 dissout et son impact sur les processus de digestion. Pour se faire, nous avons basé notre approche sur la caractérisation du carbone inorganique moins coûteuse et moins contraignante que d’autres méthodes d’analyse comme les mesures d’isotopes stables ou les analyses de biologie moléculaire. L’originalité de cette approche réside dans l’utilisation d’une sonde CO2 NDIR qui nous a permis de faire des mesures in situ, en continu et en temps réel et de CO2 dissout dans le digesteur. A notre connaissance, c’est la première fois qu’un tel type de sonde est utilisé dans un digesteur anaérobie et son intérêt et son potentiel vont bien au-delà du présent projet. Les principaux résultats obtenus dans le cadre du projet CONRAD peuvent être résumés ainsi :

- Les performances du digesteur sous enrichissement (teneur moyenne en CH4 du biogaz : 66.8% ± 0,5, rendement en méthane : 209 ± 17 LCH4/gSV) sont supérieures à celles obtenues dans le digesteur en fonctionnement normal (teneur moyenne en CH4 du biogaz : 62.7 %

- 0.3, rendement en méthane : 151 ± 15 LCH4/gSV)). On attribue ces améliorations à des phénomènes thermodynamiques liés à la baisse d’alcalinité à pH constant dans le digesteur sous enrichissement. L’augmentation (+38%) du rendement en méthane grâce à l’enrichissement, est supérieure à celles indiquées dans la littérature parce que nous avons pris soin de contrôler la quantité de CO2 injectée mais par conséquent notre taux de réutilisation du CO2 (estimé à 12%) est inférieur.
 
- D’un point de vue cinétique, nous avons constaté que l’ajout de CO2 permet d’augmenter la cinétique de l’hydrolyse étape limitante dans la digestion de substrats à forte teneur en protéines comme les boues de digestion probablement par les baisses de pH localisées qui se créent. Ce point est probablement ce qui lie l’ensemble des études réalisées jusqu’ici.

- L’enrichissement en CO2 permet également d’améliorer la disponibilité du CO2 dans un digesteur qui tend à manquer de CO2 quand le substrat utilisé est riche en protéines.

- La sonde CO2 nous a permis de démontrer la métabolisation du CO2 exogène et une meilleure compréhension de la digestion anaérobie, en particulier la phase d’hydrolyse.

-Finalement, l’injection de CO2 s’est avérée un moyen efficace pour contrecarrer les potentiels empoisonnements en ammoniac fréquents lors de l’utilisation d’un substrat à forte teneur en azote (protéines et urée).

Les résultats obtenus au cours de ce projet sont non seulement concluants mais ils offrent de nombreuses perspectives présentées à la fin de ce rapport.

Zugehörige Dokumente

• Rapport finale_français [PDF] 14'141 kB