BIOCHEMICAL METHANE POTENTIAL GENERATED BY THE CO-DIGESTION OF FOOD WASTE AND CELLULOSE-BASED FOOD PACKAGING PRODUCT

Abstract

Anaerobic co-digestion (AcoD) is proven to be a promising technology for enhancing the production of methane. Also, the inoculation dose (Inoculum, I) used in digestion is another crucial factor for improving high methane yield and digester stability. So, in this study, the biochemical methane potential (BMP) from anaerobic co-digestion of food waste (FW) and cellulose-based food packaging product (CFPP) was carried out under mesophilic (35 ± 2°C) condition in a batch mode for 60 days. Two sets of experiments were conducted. Experiment I aimed to determine the suitable ratio of FW/CFPP for methane production, including ratios of 100:0, 80:20, 60:40, 40:60, 20:80, and 0:100 (based on volatile solids, VS), with an inoculum-to-substrate (I/S) ratio of 2 (based on VS). Experiment II aimed to study the influence of different I/S ratios on methane production using the favorable ratio of FW:CFPP determined from Experiment I with I/S ratios of 0.5:1, 1:1, 1.5:1, 2:1, and 2.5:1 (based on VS). A Modified Gompertz model was also applied to describe both experiments' kinetics of methane production. Based on the BMP experimental results, it is found that in experiment I with the set of having sodium bicarbonate (NaHCO3) addition, the highest cumulative methane yield was observed in FW/CFPP 100:0, followed by 80:20, 60:40, 40:60, 20:80, and 0:100 with the values of 505.87, 474.88, 451.23, 420.35, 392.35, and 393.28 NmL/gVS, respectively. Nevertheless, when compared to the set without NaHCO3 addition, the methane yields were insignificantly different and highest in FW/CFPP 60:40 and 40:60, followed by 20:80, 0:100, 80:20, and 100:0 with the values of 439.63, 423.24, 368.05, 307.04, 157.14, and 99.48 NmL/gVS, respectively. In experiment II with the use of FW/CFPP 60:40 and the addition of NaHCO3, the cumulative methane yield was found to be highest in I/S 2:1, followed by 2.5:1, 1.5:1, 1:1, and 0.5:1 with the values of 451.23, 442.12, 418.84, 402.38, and 387.66 NmL/gVS, respectively. However, when compared to the set with no NaHCO3 addition, I/S 2.5:1 produced the highest cumulative methane yield, followed by 2:1, 1.5:1, 1:1, and 0.5:1 with the values of 457.88, 435.14, 204.83, 182.24, and 40.26 NmL/ gVS, respectively. These findings demonstrate that the addition of NaHCO3 and the utilization of a larger ratio of I/S in the anaerobic co-digestion of FW and CFPP can establish the digester stability and improve high methane yield. Considering the kinetics study of methane production from the anaerobic co-digestion of FW and CFPP, it can be seen that the Modified Gompertz model was accurate and appropriate in predicting the methane prediction of both experiments. Besides, their kinetics parameters reveal that the co-digestion of FW/CFPP had a faster methane production rate than the mono-digestion of FW or CFPP, and a larger ratio of I/S also increased the methane production rate.

การย่อยสลายภายใต้สภาวะไร้อากาศโดยการหมักร่วม (Anaerobic co-digestion, AcoD) ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าเป็นอีกเทคโนโลยีหนึ่งที่ช่วยเพิ่มปริมาณการผลิตก๊าซมีเทนให้สูงขึ้นได้ และปริมาณหัวเชื้อจุลินทรีย์ (Inoculum, I) ที่ใช้ในกระบวนการย่อยสลายก็เป็นอีกปัจจัยหนึ่งที่ช่วยส่งเสริมให้ระบบมีความเสถียรและให้ผลผลิตก๊าซมีเทนที่สูงขึ้นได้เช่นกัน ดังนั้นการศึกษานี้จึงทำการตรวจสอบศักยภาพในการผลิตก๊าซมีเทนโดยการหมักร่วมระหว่างเศษอาหาร (Food waste, FW) และผลิตภัณฑ์เยื่อชีวภาพบรรจุอาหาร (Cellulose-based food packaging product, CFPP) ที่อุณหภูมิระดับปานกลาง (35 ± 2 องศาเซลเซียส) ในรูปแบบแบตซ์ เป็นระยะเวลา 60 วัน โดยประกอบด้วยการทดลอง 2 ชุด สำหรับการทดลองชุดที่ 1 มีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาอัตราส่วนที่เหมาะสมระหว่างเศษอาหารและผลิตภัณฑ์เยื่อชีวภาพบรรจุอาหารเพื่อการผลิตก๊าซมีเทน มีอัตราส่วน FW/CFPP ที่ทำการศึกษาประกอบด้วย 100:0 80:20 60:40 40:60 20:80 และ 0:100 (โดยน้ำหนักของแข็งระเหยง่าย) และมีการใช้อัตราส่วนระหว่างหัวเชื้อจุลินทรีย์ต่อวัสดุตั้งต้นเท่ากับ 2 (โดย­น้ำหนักของแข็งระเหยง่าย) ส่วนการทดลองชุดที่ 2 มีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาอิทธิพลของอัตราส่วนระหว่างหัว­เชื้อจุลินทรีย์ต่อวัสดุตั้งต้นซึ่งเป็นอัตราส่วนผสมระหว่างเศษอาหารและผลิตภัณฑ์เยื่อชีวภาพบรรจุอาหารที่เหมาะสมจากการทดลองชุดที่ 1 มีอัตราส่วน I/S ที่ทำการศึกษาประกอบด้วย 0.5:1 1:1 1.5:1 2:1 และ 2.5:1 (โดยน้ำหนักของแข็งระเหยง่าย) นอกจากนี้ได้ทำการศึกษาจลนพลศาสตร์ของการผลิตก๊าซมีเทนที่เกิดขึ้นจากการย่อยสลายวัสดุตั้งต้นของการทดลองทั้ง 2 ชุด โดยใช้ Modified Gompertz model ด้วย เมื่อพิจารณาผลการศึกษาด้านศักยภาพในการผลิตก๊าซมีเทน พบว่า ในการทดลองชุดที่ 1 ที่มีการเติมโซเดียมไบคาร์บอเนต (NaHCO3) อัตราส่วน FW/CFPP 100:0 ให้ผลผลิตก๊าซมีเทนสะสมสูงที่สุด รองลงมาคืออัตราส่วน FW/CFPP 80:20 60:40 40:60 20:80 และ 0:100 โดยมีค่าผลผลิตก๊าซมีเทน เท่ากับ 505.87 474.88 451.23 420.35 392.35 และ 393.28 มิลลิลิตรมาตรฐานต่อกรัมของแข็งระเหยง่าย ตามลำดับ แต่เมื่อเปรียบเทียบกับการทดลองที่ไม่มีการเติมโซเดียมไบคาร์บอเนต พบว่า อัตราส่วน FW/CFPP 60:40 และ 40:60 ให้ผลผลิตก๊าซมีเทนสะสมใกล้เคียงกันและมีปริมาณสูงสุด รองลงมาคืออัตราส่วน FW/CFPP 20:80 0:100 80:20 และ 100:0 โดยมีค่าผลผลิตก๊าซมีเทน เท่ากับ 439.63 423.24 368.05 307.04 157.14 และ 99.48 มิลลิลิตรมาตรฐานต่อกรัมของแข็งระเหยง่าย ตามลำดับ สำหรับการทดลองชุดที่ 2 ซึ่งใช้อัตราส่วน FW/CFPP 60:40 เมื่อมีการเติมโซเดียมไบคาร์บอเนต อัตราส่วน I/S 2:1 ให้ผลผลิตก๊าซมีเทนสะสมสูงที่สุด รองลงมาคืออัตราส่วน I/S 2.5:1 1.5:1 1:1 และ 0.5:1 โดยมีค่าผลผลิตก๊าซมีเทน เท่ากับ 451.23 442.12 418.84 402.38 และ 387.66 มิลลิลิตรมาตรฐานต่อกรัมของแข็งระเหยง่าย ตามลำดับ แต่เมื่อเปรียบเทียบกับการทดลองที่ไม่มีการเติมโซเดียมคาร์บอเนต พบว่า อัตราส่วน I/S 2.5:1 ให้ผลผลิตก๊าซมีเทนสะสมสูงสุด รองลงมาคืออัตราส่วน I/S 2:1 1.5:1 1:1 และ 0.5:1 โดยมีค่าผลผลิตก๊าซมีเทน เท่ากับ 457.88 435.14 204.83 182.24 และ 40.26 มิลลิลิตรมาตรฐานต่อกรัมของแข็งระเหยง่าย ตามลำดับ ทั้งนี้ผลการศึกษาแสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่า การหมักร่วมระหว่างเศษอาหารและผลิตภัณฑ์เยื่อชีวภาพบรรจุอาหารที่มีการเติมโซเดียมไบคาร์บอเนตเพื่อควบคุมระบบให้มีความสมดุล รวมถึงการใช้อัตราส่วนหัวเชื้อจุลินทรีย์ต่อวัสดุตั้งต้นในอัตราส่วนที่เพิ่มสูงขึ้น สามารถช่วยส่งเสริมให้กระบวนการย่อยสลายมีความเสถียรและมีการผลิตก๊าซมีเทนได้อย่างมีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้น และเมื่อพิจารณาผลการศึกษาทางจลนพลศาสตร์ของการผลิตก๊าซมีเทนที่เกิดขึ้นจากการหมักร่วมระหว่างเศษอาหารและผลิตภัณฑ์เยื่อชีวภาพบรรจุอาหาร พบว่า สมการ Modified Gompertz model เป็นโมเดลที่มีความแม่นยำและเหมาะสมในการใช้ทำนายผลผลิตก๊าซมีเทนสะสมของทั้ง 2 ชุดการทดลอง และพารามิเตอร์ทางจลนพลศาสตร์ แสดงให้เห็นว่า การหมักร่วมระหว่างเศษอาหารและผลิตภัณฑ์เยื่อชีวภาพบรรจุอาหารมีการผลิตก๊าซมีเทนในอัตราที่เร็วกว่าการหมักโดยใช้เศษอาหารหรือผลิตภัณฑ์เยื่อชีวภาพบรรจุอาหารเพียงอย่างเดียว และอัตราส่วนหัวเชื้อจุลินทรีย์ต่อวัสดุตั้งต้นในอัตราส่วนที่เพิ่มสูงขึ้นช่วยส่งเสริมให้ระบบมีอัตราเร็วในการผลิตก๊าซมีเทนเพิ่มสูงขึ้นด้วยเช่นเดียวกัน