Utilization of rice crop residuals for biogas production through anaerobic digestion and the use of digestate as fertilizer for added value crops

Abstract

Agricultural residues, such as rice straw and livestock slurries, can contribute to climate change and atmospheric pollution if not properly managed. Anaerobic digestion of such residues produces renewable energy in the form of biogas, while mitigating the adverse effects of improper agricultural waste management. However, rice straw and other lignocellulosic biomass are recalcitrant and hence difficult to biodegrade. Therefore, pretreatment prior to digestion has emerged as an effective strategy to enhance their biodegradability. Our study examined the effect of eight thermal and four thermochemical pretreatment methods on the biodegradability of rice straw. Thermal pretreatments involved the use of heat combined with digestate, while thermochemical pretreatments involved the use of heat coupled with NaOH. Results showed that thermal pretreatments resulted in minimal increases in methane production, up to 5%, while thermochemical treatments resulted in more substantial increases, up to 15%, compared to the untreated rice straw. Subsequently, co-digestion experiments were performed using the optimum pretreatment methodology with two slurries. Pretreated rice straw was co-digested with cattle slurry and swine slurry separately in different volatile solids (VS) ratios ranging from 50% slurry and 50% pretreated rice straw up to 100% slurry. According to the results of our experiments, co-digestion of pretreated rice straw with cattle slurry resulted in a methane yield increase of up to 14%, while co-digestion with swine slurry increased methane production up to 59%. In both cases, maximum increases in methane yield were achieved when pretreated rice straw was co-digested with each slurry at a 50%:50% VS (w/v) ratio. All experiments were performed at a batch scale. Additionally, we performed a technoeconomic analysis to investigate whether establishing a biogas power plant in Northern Greece would be a profitable endeavor. According to our results, the project is viable, with the net annual profit reaching €1,510,000, with revenue from digestate sales and €955,358 without, comparable to other plants in the Mediterranean region. The payback period, with digestate sales, was estimated at 2.98 years, the return on investment at 33.5% and the profit margin at 62.4% per year, respectively. Likewise, without digestate revenue, the payback period increased to 4.71 years, while the return on investment and profit margin decreased to 21.23% and 51.26% per year, respectively. In order to examine the robustness of our system against instantaneous and gradual increases in the organic loading rate (OLR), we used three mesophilic lab-scale continuous stirred tank reactors (CSTR). The feedstock used was the optimum co-digestion mixture from our previous batch scale experiments. The first reactor (R1) served as the control and continued to operate throughout the experiment under 2 gVS L−1d−1. The OLR in the second reactor (R2) increased gradually from 2 gVS L−1d−1 to 3 gVS L−1d−1 and then 4 gVS L−1d−1, while the OLR in the third reactor (R3) increased instantaneously from 2 gVS L−1d−1 to 4 gVS L−1d−1 and then 6 gVS L−1d−1. According to the results of our experiments, the highest methane yield was achieved at a stable OLR of 2 gVS L−1 (353 mL CH4 gVS−1). Gradual increases resulted in transient process disruptions, showcasing the robustness of our system and its recoverability. Conversely, instantaneous increases up to 6 gVS L−1 d−1 led to considerable system disruptions, with methane yield decreasing significantly (331 mL CH4 gVS−1) and CH4 content in the biogas mixture reducing to 51%. Analysis of total ammonia nitrogen content (TAN) and free ammonia (FA) showed strong inhibition during periods of stress. TAN and FA reached ~3,500 mg L−1 and 212 mg L−1, respectively, in R3 when the OLR increased to 6 gVS L−1 d−1. Correlation analysis confirmed the strong and negative correlation between methane production and TAN (r = −0.826). Notably, chemical oxygen demand (COD) removal efficiency (65–67%) was not significantly hindered by the increases in TAN and OLR. In general, gradual increases proved far more favorable compared to instantaneous, allowing the system to recover without significant process disruptions. Digestate is the by-product of anaerobic digestion, rich in macro and micronutrients necessary for plant development. Basil (Ocimum Basilicum L.) is one of the most economically important medicinal and aromatic plants (MAPs), widely used in Italian and Greek cuisine. In order to examine the effect of digestate as an alternative fertilizer for basil development, a two-year pot experiment was performed. Our experiment comprised four fertilization regimes: chemical fertilizer (F), digestate (D), combined chemical fertilizer and digestate (1:1, FD), and unfertilized control (C). Several key metrics were estimated, such as plant height, total plant biomass (TB), leaf biomass production (LP), chlorophyll concentration index (CCI), essential oil yield, and composition. Post-harvest soil samples were taken to assess the effect of digestate fertilization on the heavy metal and nutrient content of soil and the concentration of pathogens in the soil and on the leaves of the basil plants. Results showed that FD treatment significantly increased TB (68.2 g plant⁻¹) and LP (52.7 g plant⁻¹), while also demonstrating the highest essential oil production per hectare. Digestate use increased the extractable concentration of crucial macronutrients, phosphorus (P), and potassium (K) by 68.5% and 134.4%, respectively, while also significantly increasing the soil organic matter by 54.7%. The highest essential oil content was observed in the control plants. Importantly, different fertilization regimes influenced secondary metabolite synthesis. In particular, plants treated with digestate exhibited significant increases in sesquiterpenes, especially germacrene D and β-elemene. Chemical fertilization increased the synthesis of methyleugenol and β-farnesene, both of which are associated with protection from biotic stresses and reproduction. Unfertilized plants showed increased monoterpene synthesis and particularly limonene, eugenol, and linalool, all of which are associated with abiotic stresses, such as cold and drought tolerance, while showing superior antibacterial, antifungal, antioxidant, and antineoplastic activity. Therefore, the absence of fertilizers promoted the formation of stress-alleviating terpenes, mineral fertilizers favored the synthesis of terpenes linked with biotic stresses and reproduction, digestate promoted the synthesis of sesquiterpenes, while FD plants exhibited a more neutral profile. Crucially, Salmonella spp. was not detected either in the soil or on the leaves of the plants. Enterococcus faecalis and Escherichia coli were found in small concentrations in the soil (< 9.1 cfu g˗1). In contrast, the concentration of Enterococcus faecalis on the leaves was relatively high (91est in D-treated plants and 73 est cfu g˗1 in FD-treated plants), marginally below the threshold of 100 cfu g⁻1, for ready-to-eat fruit and vegetables, while concentrations of E. coli remained low on the leaves (<9.1 cfu g⁻1).

Η μη ορθή διαχείριση των υπολειμμάτων της αγροτικής παραγωγής, όπως τα άχυρα του ρυζιού και τα λύματα της κτηνοτροφίας, δύναται να εντείνουν το φαινόμενο της κλιματικής αλλαγής και της ατμοσφαιρικής ρύπανσης. Η αναερόβια χώνευση αυτών των υπολειμμάτων παράγει ανανεώσιμη ενέργεια ενώ παράλληλα μειώνει τις αρνητικές επιπτώσεις από τη μη ορθή διαχείριση τους. Εν τούτοις, τα άχυρα του ρυζιού και λοιπές λιγνοκυτταρινούχες ενώσεις είναι δυσδιάλυτες και συνεπώς είναι δύσκολο να βιοαποικοδομηθούν. Επομένως, η προεπεξεργασία αυτών των υποστρωμάτων πριν από την χώνευση τους αποτελεί μία επιτυχημένη στρατηγική για την αύξηση της βιοαποικοδομισιμότητας τους. Η παρούσα μελέτη εξέτασε την επίδραση οκτώ θερμικών και τεσσάρων θερμοχημικών μεθόδων στην βιοαποικοδομιση του αχύρου του ρυζιού. Η θερμική προεπεξεργασία πραγματοποιήθηκε με τη χρήση θερμότητας και χωνεμένου λύματος, ενώ η θερμοχημική με τη χρήση θερμότητας παρουσία NaOH. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι οι θερμικές επεξεργασίες οδήγησαν σε χαμηλές αυξήσεις στην παραγωγή μεθανίου, έως 5%, ενώ οι θερμοχημικές επεξεργασίες οδήγησαν σε σημαντικές αυξήσεις έως 15%, σε σύγκριση με το μη-επεξεργασμένο άχυρο ρυζιού. Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκαν πειράματα συγχώνευσης με προεπεξεργασμένο άχυρο ρυζιού (χρησιμοποιώντας την βέλτιστη μεθοδολογία προεπεξεργασίας) και δύο ζωικά λύματα. Κατά την πειραματική διαδικασία προεπεξεργασμένο άχυρο συγχωνεύθηκε με αγελαδινά λύματα και χοιρινά λύματα σε ξεχωριστά πειράματα και σε διάφορες αναλογίες πτητικών στερεών (VS), ξεκινώντας από 50% ζωικά λύματα και 50% προεπεξεργασμένη βιομάζα ρυζιού έως 100% ζωικά λύματα. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα της έρευνας μας, η συγχώνευση του προεπεξεργασμένου αχύρου ρυζιού με τα αγελαδινά λύματα οδήγησε σε αύξηση της παραγωγής μεθανίου έως και 14%, ενώ η συγχώνευση με χοιρινά λύματα οδήγησε σε αύξησε της απόδοσης σε μεθάνιο έως και 59%. Οι μέγιστες αυξήσεις στην παραγωγή μεθανίου, ανεξαρτήτου λύματος, προέκυψε όταν η αναλογία προεπεξεργασμένου αχύρου ρυζιού και λυμάτων ήταν 50%:50% VS (w/v). Όλα τα πειράματα ήταν διαλείποντος έργου. Επιπλέον, πραγματοποιήσαμε μία τεχνοοικονομική ανάλυση για να διερευνήσουμε εάν η δημιουργία μιας μονάδας παραγωγής βιοαερίου στη Βόρεια Ελλάδα θα ήταν ένα κερδοφόρο εγχείρημα. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι το εγχείρημα θα ήταν επιτυχημένο με τα μέσα καθαρά ετήσια εισοδήματα να ανέρχονται στο €1,510,000 με τα έσοδα από την πώληση του χωνεμένου λύματος και €955,358 χωρίς, κερδοφορία αντίστοιχη με άλλες μονάδες παραγωγής βιοαερίου στην περιοχή της Μεσογείου. Η περίοδος απόσβεσης με τα κέρδη από την πώληση του χωνεμένου λύματος υπολογίσθηκε σε 2,98 χρόνια, η απόδοση της επένδυσης σε 33,5% και το περιθώριο κέρδους σε 62,4% ανά έτος, αντίστοιχα. Επιπλέον, χωρίς τα έσοδα από την πώληση του χωνεμένου λύματος, η περίοδος απόσβεσης αυξήθηκε σε 4,71 χρόνια, ενώ η απόδοση της επένδυσης και το περιθώριο κέρδους μειώθηκαν σε 21,23% και 51,26% ανά έτος, αντίστοιχα. Για την διερεύνηση της ανθεκτικότητας του συστήματος μας σε σταδιακές και ακαριαίες αυξήσεις στον ρυθμό οργανικής φόρτισης (OLR) χρησιμοποιήσαμε τρείς εργαστηριακούς μεσόφιλους αντιδραστήρες συνεχούς ανάδευσης (CSTR). Το υλικό τροφοδοσίας αποτελούνταν από το βέλτιστο συνδυασμό προεπεξεργασμένου αχύρου ρυζιού και χοιρινών λυμάτων, σύμφωνα με τα προηγούμενα πειράματα διαλείποντος έργου. Ο πρώτος αντιδραστήρας (R1) αποτελούσε τον «μάρτυρα» του πειράματος και λειτούργησε σε όλη τη διάρκεια του πειράματος με 2 gVS L−1d−1. Ο ρυθμός οργανικής φόρτισης στον δεύτερο αντιδραστήρα (R2) αυξήθηκε σταδιακά από 2 gVS L−1d−1 σε 3 gVS L−1d−1 και τελικά σε 4 gVS L−1d−1, ενώ ο OLR στον τρίτο αντιδραστήρα (R3) αυξήθηκε ακαριαία από 2 gVS L−1d−1 σε 4 gVS L−1d−1 και τελικά σε 6 gVS L−1d−1. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα της έρευνας μας, η υψηλότερη απόδοση σε μεθάνιο προήλθε όταν ο OLR παρέμεινε στα 2 gVS L−1 (353 mL CH4 gVS−1). Η σταδιακή αύξηση του ρυθμού οργανικής φόρτισης είχε ως αποτέλεσμα παροδικές διαταράξεις στην ομαλή λειτουργία της διαδικασίας, επιδεικνύοντας την ανθεκτικότητα του συστήματος μας και την γρήγορη επαναφορά του σε κατάσταση ισορροπίας. Εν αντιθέσει, οι ακαριαίες αυξήσεις στον OLR έως και 6 gVS L−1 d−1 είχαν σαν συνέπεια σημαντικές διαταράξεις στην ισορροπία του συστήματος, με την απόδοση σε μεθάνιο να μειώνεται σημαντικά (331 mL CH4 gVS−1) και το ποσοστό μεθανίου στο μίγμα του βιοαερίου να μειώνεται στο 51%. Ο υπολογισμός των συγκεντρώσεων αμμωνιακού αζώτου (TAN) και ελεύθερης αμμωνίας (FA) έδειξαν ισχυρή παρεμπόδιση της διαδικασίας, με τις συγκεντρώσεις TAN και FA να σταθεροποιούνται στα ~3,500 mg L−1 και 212 mg L−1, στον R3 όταν ο OLR αυξήθηκε στα 6 gVS L−1 d−1. Η ανάλυση συσχέτισης επιβεβαίωσε την ισχυρή και αρνητική συσχέτιση μεταξύ της παραγωγής μεθανίου και TAN (r = −0.826). Αξιοσημείωτο είναι ότι το ποσοστό μείωσης απαιτήσεως οξυγόνου (COD) δεν μειώθηκε σημαντικά (65–67%) παρόλες τις αυξήσεις σε TAN και OLR. Γενικά οι σταδιακές αυξήσεις αποδείχθηκαν πολύ πιο ευνοϊκές σε σύγκριση με τις ακαριαίες, επιτρέποντας το σύστημα να επανακάμψει χωρίς σημαντικά προβλήματα. Το χωνεμένο λύμα είναι ένα υπό-προϊόν της αναερόβιας χώνευσης, πλούσιο σε μακροστοιχεία και ιχνοστοιχεία απαραίτητα για την σωστή ανάπτυξη των φυτών. Ο βασιλικός (Ocimum Basilicum L.) είναι ένα από τα πιο σημαντικά φαρμακευτικά και αρωματικά φυτά (MAPs) με μεγάλη οικονομική σημασία, το οποίο χρησιμοποιείται ευρέως στην Ιταλική και Ελληνική κουζίνα. Για να διερευνήσουμε την επίδραση του χωνεμένου λύματος ως εναλλακτικού λιπάσματος στην ανάπτυξη του βασιλικού, πραγματοποιήσαμε ένα διετές πείραμα. Το πείραμα αποτελούνταν από τέσσερις πειραματικές εφαρμογές: χημικό λίπασμα (F), χωνεμένο λύμα (D), συνδυασμός χημικού λιπάσματος και χωνεμένου λύματος (1:1, FD), και φυτά χωρίς λίπανση «μάρτυρας» (C). Μετρήθηκαν σημαντικοί παράγοντες που συνδέονται με την ανάπτυξη των φυτών, όπως ύψος φυτών, ολική βιομάζα φυτών (TB), παραγωγή βιομάζας φύλλων (LP), δείκτης συγκέντρωσης χλωροφύλλης (CCI), παραγωγή και σύσταση αιθέριων ελαίων. Μετά την συγκομιδή πάρθηκαν δείγματα εδάφους για τον υπολογισμό των βαρέων μετάλλων και των θρεπτικών στο έδαφος καθώς και της συγκέντρωσης παθογόνων μικροοργανισμών στο έδαφος και στα φύλλα του βασιλικού. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η εφαρμογή FD αύξησε σημαντικά την TB (68.2 g plant⁻¹) και LP (52.7 g plant⁻¹), ενώ παράλληλα έδειξε την υψηλότερη παραγωγή αιθέριου ελαίου ανά εκτάριο. Η χρήση χωνεμένου λύματος αύξησε την συγκέντρωση των απαραίτητων μακροστοιχείων, φωσφόρου (P) και καλίου (K) κατά 68.5% και 134.4%, αντίστοιχα, ενώ σημαντική αύξηση παρατηρήθηκε και την οργανική ουσία του εδάφους κατά 54.7%. Η υψηλότερη συγκέντρωση αιθέριων ελαίων παρουσιάστηκε στα φυτά μάρτυρες. Αξιοσημείωτο είναι ότι οι διαφορετικές εφαρμογές λίπανσης επηρέασαν την σύνθεση των δευτερογενών μεταβολίτων. Συγκεκριμένα, τα φυτά που δέχθηκαν χωνεμένο λύμα παρουσίασαν σημαντικές αυξήσεις στην σύνθεση σεσκιτερπενίων και ειδικότερα της γερμακρένης D και της β-ελεμένης. Η χημική λίπανση αύξησε την σύνθεση της μεθυλευγενόλης και της β-φαρνεσίνης, οι οποίες συνδέονται με την άμυνα των φυτών απέναντι σε βιοτικούς κινδύνους και την αναπαραγωγή. Οι μάρτυρες έδειξαν σημαντική αύξηση στην σύνθεση των μονοτερπενίων και ειδικότερα της λιμονένης, ευγενόλης, και λιναλοόλης, οι οποίες συνδέονται με την άμυνα των φυτών απέναντι σε αβιοτικούς κινδύνους, όπως την καταπόνηση λόγω κρύου και ξηρασίας, ενώ διαθέτουν και αυξημένη αντιβακτηριακή, αντιμυκητιακή και αντινεοπλασματική δραστηριότητα. Επομένως, η έλλειψη λιπάσματος αύξησε την δημιουργία τερπενίων που συνδέονται με την αντιμετώπιση καταπονήσεων και αβιοτικών κινδύνων, η χρήση χημικού λιπάσματος οδήγησε στην αύξηση της σύνθεσης τερπενίων που συνδέονται με βιοτικούς κινδύνους και την αναπαραγωγή, η χρήση χωνεμένου λύματος την σύνθεση σεσκιτερπενίων, και οι συνδυασμένη λίπανση οδήγησε στην παραγωγή αιθέριου ελαίου ουδέτερης σύνθεσης. Αξιοσημείωτο είναι ότι Salmonella spp. δεν εντοπίστηκαν ούτε στο έδαφος αλλά ούτε στα φύλλα των φυτών. Enterococcus faecalis και Escherichia coli εντοπίστηκαν σε μικρές ποσότητες στο έδαφος (< 9.1 cfu g˗1). Εν αντιθέσει η συγκέντρωση Enterococcus faecalis στα φύλλα των φυτών που λιπάνθηκαν με χωνεμένο λύμα ήταν σχετικά υψηλή (91est στα D φυτά και 73 est cfu g˗1 στα FD φυτά), οριακά κάτω από το όριο των 100 cfu g⁻1, για φρέσκα λαχανικά και φρούτα έτοιμα προς βρώση, ενώ οι συγκεντρώσεις E. coli παρέμειναν χαμηλές στα φύλλα των φυτών (< 9.1 cfu g⁻1).