Biogas start-up guide/id

Anda memiliki biodigester, selamat! Kondisinya baik sehingga biogas akan menyelamatkan dunia, dan Anda, pemilik biodigester baru, berada di garda terdepan. Namun, sebelum memproduksi biogas, komunitas mikroba perlu dibentuk di dalam tangki/kantong/biodigester kubah bambu yang baru saja Anda bangun, beli, atau warisi. Untungnya, membentuk mikroba untuk menjalankan proses ini mudah jika Anda tahu apa yang Anda lakukan. Namun, sebelum berfokus pada startup, ada beberapa pertanyaan yang perlu dijawab:

• Apakah biodigester Anda menampung air di tempat yang membutuhkannya?
• Apakah biodigester Anda menampung gas di bawah tekanan gas yang dirancang?

Setelah kedua pertimbangan struktural penting ini ditetapkan, beberapa langkah selanjutnya akan mudah. ​​Ada beberapa bahan penting yang perlu disiapkan setelah semuanya tertutup rapat dan berfungsi secara struktural; korek api dan uji pH. Korek api akan memberikan tanda ketika Anda mulai menghasilkan gas yang mudah terbakar. pH menandakan kesehatan biodigester.

• Kisaran pH optimal: 6,8-7,5. Biodigester anaerobik umumnya beroperasi pada kisaran pH tertentu (6,8-7,5). Pada pH ini, aktivitas produksi metana menghilangkan produk sampingan yang dapat menghambat proses.
• pH terlalu rendah: di bawah 6,0. Pada tahap awal, mikroba penghasil asam dan penghidrolisis mungkin akan tumbuh lebih besar daripada bakteri metanogen, sehingga menyebabkan penurunan pH. Jika pH turun di bawah 6,8, pertumbuhan bakteri metanogen akan terhambat, dan jika pH turun di bawah 6,0, Anda mungkin perlu mempertimbangkan untuk membersihkan dan menyalakan kembali biodigester.
• pH terlalu tinggi: Di ​​atas 7,5 Bila pH terlalu tinggi, berarti ada masalah dengan apa yang Anda masukkan ke dalam biodigester. Masalah ini mungkin timbul akibat penggunaan "air sadah" untuk mencerna bahan organik yang terlalu kaya akan protein atau amonia.

Pencernaan anaerobik dilakukan oleh komunitas mikroba penghidrolisis (mengubah padatan menjadi zat terlarut), penghasil asam, penghasil asetat, dan penghasil metana (metanogen). Berbagai produk sampingan lainnya merupakan bagian penting dari proses ini. Memahami sedikit ilmunya dapat mempermudah proses awal dan membantu dalam pemecahan masalah. Jika Anda baru mengenal istilah-istilah biodigester atau ingin mendapatkan informasi terbaru, silakan lihat glosarium untuk memahami beberapa istilah.

CATATAN

Banyak pH meter dan kertas lakmus tersedia di internet atau di toko perlengkapan kolam renang atau akuarium terdekat; indikator alami seperti kubis merah juga dapat digunakan sebagai pengganti pH meter. Saat memilih instrumen, pastikan untuk memilih setidaknya pH meter dengan rentang pH 6-8.

Apa yang Anda lakukan di biodigester jenis apa?

Ini adalah pertanyaan dua komponen. Terdapat keragaman desain biodigester yang cukup besar dan biodigester dapat memiliki cara pengaktifan yang berbeda. Namun, sebagian besar, kita akan membahas reaktor aliran tangki dan sumbat, sehingga kita akan fokus pada keduanya hingga akhir pembahasan desain yang lebih maju. Contoh digester aliran sumbat adalah digester Salchicha atau polybag, sementara kebanyakan biodigester kubah terapung dan biodigester gaya India merupakan reaktor tangki. Jika Anda memiliki biodigester film tetap atau biodigester selimut lumpur anaerobik aliran atas, Anda mungkin tahu bahwa bioreaktor tersebut kemungkinan memerlukan pengaktifan yang berbeda dari reaktor aliran sumbat atau tangki. Pengaktifan untuk sistem yang berbeda ini dapat serupa meskipun instalasi, laju pemuatan, dan manajemen digester mungkin berbeda. Apa yang Anda masukkan ke dalam digester akan memengaruhi prosedur pengaktifan yang digunakan. Pertimbangan pakan menjadi sangat penting ketika Anda menyimpang dari bahan baku kotoran babi/sapi yang umum. Bahan baku pupuk kandang, misalnya, cenderung memiliki populasi organisme penghasil metana yang lebih besar yang disebut metanogen (terutama mamalia "ruminansia", yaitu sapi, kambing, domba, dll.). Substrat pakan Anda mungkin tidak berada di tempat favorit metanogen untuk hidup jika berupa limbah makanan segar, produk sampingan proses, atau sejumlah limbah lainnya, tetapi jangan khawatir! Anda mungkin hanya perlu membangun komunitas biodigester (menggunakan salah satu dari berbagai metode) sebelum mengisi biodigester seperti yang biasa Anda lakukan. Mengetahui jenis biodigester dan apa yang Anda beri makan akan membantu Anda dalam menerapkan metode-metode awal berikut.

Memulai dengan bubur biodigester dan biodigester "idling"

Cara termudah dan teraman untuk memulai biodigester aliran-sumbat atau tangki adalah dengan mengisinya dengan isi dan/atau lumpur dari biodigester lain. Kedekatan dan ketersediaan merupakan masalah terbesar dalam proses ini, tetapi dengan asumsi ketersediaan, biodigester harus diberi substrat dengan jumlah yang lebih rendah dan pH harus dipantau, jika memungkinkan, setiap hari hingga Anda dengan cepat mencapai laju pengisian yang dirancang. Hal ini terutama berlaku jika biodigester yang sedang dijalankan beroperasi pada substrat yang berbeda dari biodigester yang sedang beroperasi. Banyak manual konstruksi biodigester sangat mendukung metode ini sehingga mereka merekomendasikan untuk memulai "inokulum" atau "benih" bahkan sebelum membangun biodigester! Ini dapat dilakukan dengan berbagai cara. Salah satunya adalah dengan mengisi drum 55 galon dengan satu bagian pupuk kandang dan satu bagian air dan membiarkannya mengembangkan komunitas mikroorganisme anaerobik. Sebaiknya pantau pH drum secara berkala untuk memastikan bubur berkembang dengan baik; Tentu saja, Anda ingin memeriksa pH sebelum menambahkan bubur ke biodigester.

Biodigester dapat "diam" (misalnya, dibiarkan selama satu musim tanam) dan kemudian dihidupkan kembali dengan cara yang sama (dengan mengurangi jumlah substrat dan memantau pH). Kemampuan pembakaran gas penting untuk dipantau saat memulai proses; namun, ketika menggunakan lumpur anaerobik, kemampuan pembakaran jarang menjadi masalah. Pada fase awal proses anaerobik, karbon dioksida diproduksi dan penting untuk mengetahui kapan metana mulai diproduksi karena pada saat itulah kemungkinan besar stabilitas biodigester berada (yaitu asam dihilangkan secepat produksinya).

"awal air"

Dengan asumsi lumpur dan isi biodigester tidak tersedia, metode termudah berikutnya untuk memulai biodigester adalah Water Start. Instruksinya sederhana: isi biodigester dengan air dan tambahkan pupuk kandang dengan laju pengisian yang teratur. Idenya adalah air akan mengencerkan zat antara penghambat (asam) dan produk sampingan hingga populasi penghasil metana memiliki waktu untuk mengejar ketertinggalan. Seringkali hal ini dapat dilakukan tanpa terlalu banyak pemantauan atau kesulitan. Kerugiannya adalah prosesnya dapat memakan waktu dan terbatas pada substrat dengan populasi organisme penghasil metana yang besar seperti pupuk kandang segar. Beberapa pupuk kandang yang mungkin tidak cocok dapat mencakup unggas dan mungkin juga pupuk kandang manusia. Metode ini sebaiknya dipertimbangkan terutama untuk biodigester aliran sumbat.

Pupuk kandang merupakan penggunaan umum untuk pencernaan anaerobik, tetapi seperti yang telah disinggung sebelumnya, tentu saja bukan satu-satunya kegunaan. Bahan organik apa pun yang dapat terurai secara hayati dapat diubah menjadi biogas. Beberapa bahan lebih baik daripada yang lain. Untuk memulai biodigester yang akan mendegradasi limbah makanan, sebaiknya isi biodigester dengan pupuk kandang seperti yang dijelaskan sebelumnya dengan pemberian air. Setelah biodigester mulai menghasilkan metana (uji dengan menyalakan gas), mulailah mengisi limbah makanan dengan laju yang lebih rendah secara perlahan hingga mencapai laju pemberian yang dirancang.

rumen

Secara umum, memulai biodigester anaerobik terdiri dari penyediaan populasi metanogen untuk menghilangkan produk sampingan penghambat dari proses hidrolisis dan produksi asam yang tumbuh lebih cepat. Perlu diingat bahwa pencernaan anaerobik dilakukan oleh komunitas mikroba yang menghidrolisis, memproduksi asam, memproduksi asetat, dan memproduksi metana. Ada banyak cara untuk memulai biodigester, dan di sini kita akan membahas beberapa metode yang jarang digunakan. Pada dasarnya, Anda dapat mengisi biodigester dengan populasi metanogen dari lingkungan tempat mereka sudah ada. Metanogen dapat ditemukan di tanah hidrik (tanah lahan basah), sedimen akuatik, rumen hewan, ventilasi termal, zona anoksik di laut, berbagai bagian tubuh berbagai organisme, tempat pembuangan akhir (TPA), dan lingkungan anaerobik lainnya. Dari semua metode tersebut, dua di antaranya umum digunakan untuk memulai biodigester anaerobik, biasanya di laboratorium. Lindi TPA dan rumen adalah beberapa metode umum untuk memulai biodigester di laboratorium.

Karena masalah toksisitas dengan lindi TPA, rumen merupakan sumber yang lebih baik untuk populasi metanogenik. Hewan ruminansia didefinisikan sebagai hewan yang melunakkan makanan dengan lambung pertamanya; contohnya adalah sapi, kambing, domba, kerbau, dan llama. Anda bisa mendapatkan rumen dari rumah pemotongan hewan atau jika unit ilmu perah tersedia dari sapi berfistula. Isi rumen sapi dapat mengandung setengah hingga seperempat populasi metanogen dari lumpur anaerobik dalam tangki atau digester pupuk kandang aliran sumbat. Untuk memulai tangki atau biodigester aliran sumbat dengan rumen, seseorang akan mengeluarkan isi rumen untuk mengisi 10% dari volume biodigester dan 90% lainnya dengan air ledeng (air apa pun kecuali air suling atau deionisasi). Beri makan biodigester pada tingkat yang dihitung dan dalam beberapa hari, orang akan mengharapkan biogas diproduksi.

Pilihan lain adalah membudidayakan metanogen secara artifisial dan menambahkan lumpur dari kultur pengayaan ke biodigester Anda. Inilah yang Anda beli ketika membeli kultur yang sudah dikemas, misalnya dari Eropa. Namun, dengan waktu, ketekunan, dan keterampilan, Anda juga bisa melakukannya! Cara termudah adalah menumbuhkan sampel lingkungan anaerobik dan memberi makan kultur dalam lingkungan tertutup dengan hidrogen, karbon dioksida, asetat, dan asam format. Atau organik terlarut yang mudah terurai menjadi produk-produk tersebut. Sementara itu, Anda perlu memantau pH, suhu, dan pembakaran/kandungan gas. Kemudian, Anda perlu menghitung waktu penggandaan metanogen, memperkirakan konsentrasi awal, dan menumbuhkan lumpur Anda hingga kapasitas yang memadai. Anda perlu menambahkan 10% lumpur metanogenik ke 10% volume lumpur awal biodigester. Anda mungkin juga ingin memperkaya kultur untuk mendegradasi senyawa tertentu yang diinginkan seperti selulosa (bahan kayu). Aturan praktis yang serupa, yakni 10-20% volume inokulum (tergantung seberapa cepat Anda menginginkan proses berjalan) berfungsi dengan baik saat memulai proses anaerobik batch (dibandingkan dengan pemberian pakan berkelanjutan), namun hal itu lebih merupakan pertimbangan operasional dan di luar cakupan panduan ini.

Dimulai dengan bubur (proses batch)

Cara lain yang memungkinkan untuk memulai biodigester anaerobik adalah dengan mengisinya dengan 5-20% pupuk kandang dan air, lalu membiarkan bubur tersebut mengendap dalam semacam proses "batch". Ketika biogas mulai terbentuk dari bubur, Anda dapat mulai mengisi biodigester dengan laju yang disarankan. Kehati-hatian dan pemantauan pH perlu diperhatikan karena metode "batch" dapat dengan mudah membebani dan membuat biodigester tidak seimbang, yang dapat menyebabkan penurunan pH.

Sebagai variasi awal dengan slurry, Anda dapat memulai dengan biodigester kosong dan menambahkan slurry sedikit demi sedikit. Pertimbangan perlu dibuat untuk kubah terapung (misalnya, apakah akan ada segel air pada penambahan pertama Anda?). Opsi awal ini mungkin sangat diinginkan jika biodigester Anda rentan bocor. Proses serupa digunakan saat membuat inokulum untuk biodigester Anda sebelum konstruksi seperti yang disebutkan di bagian pengisian dan pemalasan.

Efek suhu

Anda tahu (semoga!) bahwa suhu memengaruhi jumlah bahan organik yang dapat dimasukkan ke dalam biodigester, tetapi tahukah Anda bahwa suhu juga memengaruhi waktu start-up? Secara umum, metanogen dapat tumbuh lebih besar daripada organisme penghasil asam (dengan substrat yang tersedia) pada suhu yang lebih tinggi, sementara pada suhu yang lebih rendah, penghasil asam dapat tumbuh lebih besar daripada metanogen.

Artinya, menyalakan biodigester pada suhu yang lebih rendah, seperti di pegunungan, mungkin lebih sulit dan lebih rentan kolaps daripada menyalakan biodigester di lingkungan tropis dataran rendah. Salah satu solusinya adalah meningkatkan pengenceran, beralih ke teknik yang lebih aman seperti menyalakan air, atau mengurangi laju pengisian saat menyalakan.

Peran nutrisi

Nutrisi berperan penting dalam pembentukan lumpur anaerobik, dan ketersediaannya dapat memperlancar proses pencernaan anaerobik secara umum. Nitrogen, Fosfor, Sulfur, Kalsium, Magnesium, Besi, Nikel, Kobalt, dan Seng merupakan suplemen yang direkomendasikan untuk biodigester anaerobik. Banyak pupuk mengandung senyawa-senyawa ini, dan jika biodigester yang Anda gunakan berupa tangki atau sistem aliran-sumbat (yang tidak memiliki waktu retensi lumpur anaerobik yang lama), suplementasi nutrisi dapat mempercepat proses pengaktifan. Suplementasi nutrisi juga dapat membantu dalam pengaktifan beberapa biodigester di mana nutrisi terjadi.

Digester anaerobik dapat distimulasi dengan logam-logam renik berikut: besi, kobalt, nikel, tembaga, mangan, selenium, boron, tungsten, molibdenum, dan seng. Silakan lihat bagian referensi untuk informasi lebih lanjut tentang suplementasi nutrisi dan logam renik (terutama Speece dan Wilkie). Faktor lain yang berperan dalam menjalankan komunitas biodigester Anda adalah sumber karbon. Beberapa bahan organik memiliki kemampuan lebih besar untuk menghasilkan biomassa seluler dalam kondisi anaerobik dibandingkan yang lain; contoh penting adalah karbohidrat, yang memiliki banyak energi yang tersedia untuk produksi biomassa. Hal ini serupa dengan peran atlet yang mengonsumsi banyak pasta dan karbohidrat lain untuk "carboloading" sebelum perlombaan atau acara. Penambahan pati mungkin menjadi salah satu alasan mengapa rejimen biodigester, seperti yang dilakukan oleh Appropriate Rural Technology Institute, telah mencapai waktu retensi hidraulik yang rendah. Peran nutrisi dan logam renik dalam biodigester anaerobik yang bergantung pada biofilm dan granulasi akan dibahas di bagian selanjutnya.

Masalah lain dengan nutrisi mungkin adalah kelebihan nutrisi seperti keracunan amonia, atau kekurangan nutrisi dan kebutuhan akan suplemen nutrisi. Ada metode untuk menguji kekurangan nutrisi (uji defisiensi nutrisi) dan masalah toksisitas (uji toksisitas anaerobik). Ada juga metode untuk mengatasi masalah tersebut. Beberapa metode sederhana mungkin adalah jika Anda menghadapi masalah toksisitas (misalnya mencerna limbah kaya nitrogen seperti kotoran unggas), encerkan toksin dari sistem. Melengkapi influen Anda dengan substrat yang kaya nutrisi seperti sisa makanan. Jenis sistem yang mungkin rentan terhadap defisiensi nutrisi antara lain substrat yang kaya akan satu jenis bahan organik, keberadaan logam yang dapat mengkorosi dan "mengendapkan" nutrisi, penggunaan air yang kaya ion yang dapat mengikat beberapa nutrisi, atau kombinasi dari faktor-faktor ini. Namun, sebelum menyalahkan kegagalan startup pada masalah toksisitas atau defisiensi nutrisi, saya harus menunjukkan bahwa hal itu harus menjadi pilihan terakhir karena kemungkinan besar bukan penyebabnya.

Berapa lama ini akan berlangsung?

Jawaban atas pertanyaan ini, untuk desain yang lebih sederhana yang telah disebutkan sebelumnya, rumit. Waktu mulai pengoperasian bergantung pada suhu, konsentrasi mikroba awal, konsentrasi mikroba dalam bahan baku, dan ketersediaan nutrisi. Namun, di iklim hangat, dengan menggunakan pupuk kandang dari mamalia ruminansia, menggunakan salah satu metode yang telah disebutkan sebelumnya, biodigester dapat dimulai dalam beberapa hari hingga paling lama beberapa minggu.

Bagaimanapun, ada yang salah dengan metode pengaktifan Anda jika Anda memulai biodigester sederhana dan membutuhkan waktu lebih dari sebulan (satu-satunya pengecualian mungkin adalah iklim yang sangat dingin di mana Anda mungkin ingin menyediakan semacam pemanasan aktif atau pasif, atau pencernaan anaerobik tidak akan sesuai). Anda juga dapat berkreasi dan menambahkan nutrisi, mungkin beberapa karbohidrat, atau mencoba mempercepat prosedur pengaktifan dengan beberapa metode lain (JANGAN mencoba menaikkan suhu hanya untuk pengaktifan, Anda akan merusak biodigester saat beroperasi normal). Satu-satunya kekurangannya adalah solusi "percepatan" yang belum pernah Anda coba sebelumnya dapat merusak atau menghambat biodigester. Waktu pengaktifan untuk desain yang lebih canggih akan dibahas di bagian selanjutnya.

Biofilm dan permulaan granulasi

This section for the majority of readers can be skipped or read for interest. This isn't an instruction guide, but more of a starting point for the start-up of a "sludge retaining" anaerobic biodigester. Some anaerobic bioreactors will retain sludge to gain numerous benefits such as extremely low hydraulic retention time (< 6 hours have been reported), increased methane content, low biodigester volume, resistance to stress factors, ease of idling, increased speed of "digestion," lower maintenance, and low to no sludge in the effluent.

However, while a simpler biodigester might require 2 weeks at most to start up a biofilm or granulated sludge biodigester might take 4 months or more. More simple designs and processes also do without certain expensive materials such as pumps and media support. That said mechanisms of microbial attachment and granulation aren't entirely elucidated but much work and research have gone into studying these processes. Microbes attach to themselves or to support media oftentimes as a response mechanism to environmental stress or through physical filtration. Biofilm formation can occur in stressed environments such as when nutrients are limited or some stress such as high movement (not enough to "sheer") that can be alleviated through attachment. Increased surface area such as etching or growing biofilms on activated carbon facilitates formation. Some researchers have found that applications of calcium may facilitate biofilm formation, it is theorized that calcium deposits may increase surface area. That said calcium deposits in the long run might clog up your growth media.

Biofilm formation usually requires the growth of a "colonizing" population or organism while other microbes will attach to the living surface. Granulation occurs under numerous conditions and takes quite a long time like biofilm formation. There are different processes and while calcium won't have the same role in granulation other nutrient supplementation such as K+, N, P and Mg 2+. Another important consideration for granulation is the gradual increase of flow to ensure granules aren't knocked out when developing. One way to simply and probably the only quick way to start the most popular granulation reactor, an up-flow anaerobic sludge blanket (UASB), is to remove granules from one reactor and put them into another. Making clear these microbial processes of attachment is a holy grail not only for biotechnologists but also for microbial or applied ecology. Many more details can be found in the excellent resources noted in the reference section.

Troubleshooting

Banyak faktor yang dapat menyebabkan kesalahan saat menyalakan biodigester anaerobik. Sejumlah besar faktor ini dibahas atau dirinci dalam panduan ini. Secara umum, pemecahan masalah perlu dilakukan langkah demi langkah. Ukur pH biodigester Anda, uji tekanan gas di dalam biodigester, dan uji gas di dalam biodigester untuk mengetahui kemampuan pembakarannya. Tiga metode tercepat dan paling efektif untuk menunjukkan adanya kesalahan adalah mengukur pH biodigester Anda, menguji tekanan gas di dalam biodigester, dan menguji gas di dalam biodigester untuk mengetahui tingkat pembakarannya. Setelah Anda mengidentifikasi mengapa biodigester Anda tidak menghasilkan gas, Anda perlu menghilangkan kemungkinan penyebabnya secara logis dan mengatasinya segera. Jika Anda bingung dengan kemungkinan masalah biologis, sebaiknya periksa struktur fisiknya. Pemecahan masalah perlu dilakukan melalui proses eliminasi untuk memastikan tidak ada pekerjaan tambahan. Banyak hal yang disebutkan dalam panduan ini dapat digunakan sebagai kemungkinan masalah saat menyalakan (misalnya, menyalakan di iklim yang lebih dingin versus yang lebih hangat, peran nutrisi, kemungkinan penghambatan dari amonia, dll.).

Kesimpulan

Panduan ini ditujukan bagi mereka yang cukup memahami tentang biodigester untuk merancang, mengukur, dan menyusun pola pemberian pakan. Semoga detail yang diberikan cukup menarik minat ilmuwan dan tidak membingungkan biogaser di halaman belakang. Panduan ini juga dapat digunakan sebagai dokumen pemecahan masalah untuk mengidentifikasi beberapa langkah yang mungkin membingungkan orang yang ingin mereplikasi pengalaman biodigester mereka dalam situasi yang berbeda. Dokumen ini juga merupakan sumber terbuka dan kritik yang membangun tidak hanya diterima tetapi juga sangat diharapkan. Silakan kirimkan pertanyaan atau komentar Anda ke the.biogas.project@gmail.com. Informasi lebih lanjut dapat ditemukan di sumber daya yang terdapat dalam referensi. Banyak informasi yang diperoleh dari guru, pengalaman, dan referensi yang tercantum.

Referensi

• van Haandel, AC, Lettinga, G. Pengolahan Limbah Anaerobik: Panduan Praktis untuk Daerah Beriklim Panas J Whiley 1994
• House, D. Buku Panduan Biogas Lengkap Edisi ke-3 2007 www.completebiogas.com
• Speece, RE Bioteknologi Anaerobik untuk Air Limbah Industri Archae Press 1996
• Wilkie, AC, Colleran E. Pengaktifan Filter Anaerobik yang Mengandung Berbagai Material Pendukung Menggunakan Supernatan Bubur Babi, Biotechnology Letters Vol 6 Nomor 4 Nov 2004
• Wilkie, AC, Goto M., Bordeaux, RM, Smith, PH, Peningkatan Metanogenesis Anaerobik dari Rumput Gajah dengan Penambahan Mikronutrien Biomassa Vol 11 1986

tautan

AIDG Biogas- www.aidg.org