Next-generation sequencing technology allows culture- independent analysis of species and genes present in a complex microbial community. Such metagenomics may overcome the inability to culture microbes in isolation. Microbial communities of interest are for example responsible for making biogas. Many applications in metagenomics focus on 16S RNA analysis. We here evaluate the possibility of whole genome analysis (WGS) as approach for metagenomics studies.Samples (Table 1) from three biogas installations fed with different feedstock were used for DNA isolation and WGS analysis. Short (75b) Illumina paired-end DNA sequence reads were generated and assembled into larger continuous stretches (contigs),AcknowledgementsResults show that WGS is feasible for complex community analysis. Large groups of organisms (for example the class Methanomicrobia) are present in all samples with a possible role in the biogas production pathway.Assemble reads into contigs•meta-velveth as metagenomics reads assemblerSequencesimilaritysearch•proteome reference database from all currently available Bacteria and Achaea genomesAssign hits to taxa•Lowest common ancestor method incorporated in MEGAN4Such studies will help to identify and use microbial species for future improvements of biogas production dependence on process parameters and feedstock.
DOCUMENT
In the field of ‘renewable energy resources’ formation of biogas Biomass and biogas: potentials, efficiencies and flexibility is an important option. Biogas can be produced from biomass in a multistep process called anaerobic digestion (AD) and is usually performed in large digesters. Anaerobic digestion of biomass is mediated by various groups of microorganisms, which live in complex community structures. However, there is still limited knowledge on the relationships between the type of biomass and operational process parameters. This relates to the changes within the microbial community structure and the resulting overall biogas production efficiency. Opening this microbial black box could lead to an better understanding of on-going microbial processes, resulting in higher biogas yields and overall process efficiencies.
DOCUMENT
This study evaluated the performance of anaerobic co-digestion of cow manure (CM) and sheep manure (SM) in both batch and continuous digesters at 37 °C. Synergistic effects of co-digesting CM and SM at varying volatile solids (VS) ratios (1:0, 0:1, 3:1, 1:1, 1:3) were observed in the batch experiment, with the most effective degradation of cellulose (56%) and hemicellulose (55%), and thus, the highest cumulative methane yield (210 mL/gVSadded) obtained at a CM:SM ratio of 1:3. Co-digesting CM and SM improved the hydrolysis, as evidenced by the cellulase brought by SM and the increases of cellulolytic bacteria Clostridium. Besides, co-digestion enhanced the acidogenesis and methanogenesis, reflected by the enrichment of syntrophic bacteria Candidatus Cloacimonas and hydrogenotrophic archaea Methanoculleus (Coenzyme-B sulfoethylthiotransferase). When testing continuous digestion, the methane yield increased from 146 mL/gVS/d (CM alone) to 179 mL/gVS/d (CM:SM at 1:1) at a constant organic loading rate (OLR) of 1g VS/L/d and a hydraulic retention time (HRT) of 25 days. Furthermore, the anaerobic digestion process was enhanced when the daily feed changed back to CM alone, reflected by the improved daily methane yield (159 mL/VS/d). These results provided insights into the improvement of methane production during the anaerobic digestion of animal manure.
LINK
Waste disposal management and the energy crisis are important challenges facing most countries. The fruit-processing industry generates daily several tons of wastes, of which the major share comes from banana farms. Anaerobic digestion (AD) technology has been applied to the treatment of wastewater, animal slurry, food waste, and agricultural residues, with the primary goals of energy production and waste elimination. This study examines the effect of organic loading (OL) and cow manure (CM) addition on AD performance when treating banana peel waste (BPW). The maximum daily biogas production rates of banana peels (BPs) with a CM content of 10%, 20%, and 30% at 18 and 22 g of volatile solids (gvs) per liter were 50.20, 48.66, and 62.78 mL·(gvs·d)−1 and 40.49, 29.57, and 46.54 mL·(gvs·d)−1, respectively. However, the daily biogas yield showed no clear interdependence with OL or CM content. In addition, a kinetic analysis using first-order and cone models showed that the kinetic parameters can be influenced by the process parameters.
LINK
In Nederland en omringende landen zijn in de afgelopen jaren en decennia verschillende projecten gerealiseerd rond decentrale innovatieve concepten voor afvalwaterbehandeling en gebruik van re-genwater. Om gemeenten, waterschappen en andere belanghebbenden een rationele grondslag te bieden voor keuzes m.b.t. de inrichting van de stedelijke waterketen (wel of niet decentraal, wel of niet brongescheiden), is in dit KIEM project de potentie en beperkingen onderzocht van nieuwe en circulaire sanitatieconcepten, zoals brongescheiden sanitatie en lokaal (her)gebruik van regenwater op woonwijk schaal. De vraag is wat we kunnen leren van ervaringen bij gerealiseerde projecten, en welke rationele basis er is om, met name bij nieuwbouwplannen, een trendbreuk teweeg te brengen in de richting decentrale oplossingen voor waterzuivering en waterhergebruik op wijkniveau, als al-ternatief voor de huidige, centrale systemen. Daartoe zijn negen verschillende gerealiseerde pro-jecten, operationeel op praktijkschaal, verkend aan de hand van literatuurstudie, data-analyse, inter-views, enquêtes en scenarioberekeningen. Verschillende prestatie-indicatoren, o.a. met betrekking tot terugwinning van grondstoffen, waterkwaliteit, hergebruik en kosten zijn inzichtelijk gemaakt. Bo-vendien is onderzoek gedaan naar de acceptatie van burgers m.b.t. governance structuren (top-down versus bottom-up) als het gaat om de stedelijke waterketen en diensten m.b.t. waterlevering en wa-terbehandeling.Uit dit verkennende onderzoek is gebleken dat alternatieve systemen (brongescheiden sanitatie met vacuümriolering en lokaal gebruik van regenwater) voor toiletspoeling, evt. tuin en wasmachine tot substantieel minder gebruik van drinkwater leiden. Bovendien wordt met separate inzameling en be-handeling van zwart- en grijswater de terugwinning van nutriënten (N, P, C) gestimuleerd en is er bij decentrale behandeling van grijswater jaarrond aanvoer van schoon water wat met name in droge periodes meerwaarde heeft. Daarentegen leiden systemen op wijkschaal, mede vanwege de relatief kleine schaal, tot relatief hoge financiële kosten, d.w.z. in vergelijking met de kosten voor aanleg en beheer van reguliere systemen. Daarbij wordt benadrukt dat vergelijking van kleine, decentrale sys-temen met de huidige, grootschalige centrale (afval)watersystemen lastig is vanwege de relatief ge-ringe hoeveelheid data die beschikbaar is m.b.t. prestatie-indicatoren van decentrale systemen. We kunnen daarom slechts voorlopige en minder harde uitspraken doen over een aantal prestaties van decentrale concepten, bijv. m.b.t. waterkwaliteit. Bovendien is de beoordeling van prestatie-indicato-ren problematisch vanwege ongelijksoortigheid. De huidige grootschalige systemen zijn goeddeels uit-ontwikkeld (innovatie was gericht op kostenefficiency), terwijl decentrale, nieuwe vormen van sani-tatie nog volop in ontwikkeling zijn, met duurzaamheid als drijfveer.Aandachtspunten en vragen liggen met name op het gebied van governance. In de huidige inrichting en organisatie van de waterketen zijn de verantwoordelijkheden, beleidsontwikkeling en operatie in-stitutioneel geborgd en sectoraal verdeeld (waterbedrijf, gemeente en waterschap). Nieuwe vormen van sanitatie en gebruik van regenwater op wijkschaal brengen de noodzaak tot vergaande samen-werking en nieuwe vraagstukken met zich mee.Om de prestaties van grootschalige, centrale systemen m.b.t. afvalwaterbehandeling en watervoor-ziening beter te kunnen vergelijken met decentrale systemen op wijkschaal wordt aanbevolen om gelijktijdig te innoveren op beide schalen, waarbij de innovatie (ook op grote, centrale schaal) gericht is op klimaatadaptatie en aansluiting bij de circulaire economie. Belangrijk daarbij is langjarige data-verzameling en monitoring, zodat de integrale prestaties van concepten en systemen kunnen worden gevolgd, beoordeeld en verbeterd, in de context van integrale duurzaamheid. Daarnaast wordt aan-bevolen om, indien mogelijk, decentrale (afvalwater)systemen op wijkniveau op te schalen naar een grootte van minimaal 3.000 inwoners, om het (op berekeningen gebaseerde) veronderstelde break-evenpoint (kosten decentraal vergelijkbaar met grootschalige, centrale systemen) in de praktijk te ve-rifiëren. Gerealiseerde projecten, bijv. Reitdiep in Groningen of Waterschoon in Sneek, kunnen wor-den benut voor verdere innovatie gericht op kringloopsluiting en circulaire economie.
DOCUMENT
In the field of ‘renewable energy resources’ formation of biogas is an important option. Biogas can be produced from biomass in a multistep process called anaerobic digestion (AD) and is usually performed in large digesters. Anaerobic digestion of biomass is mediated by various groups of microorganisms, which live in complex community structures. However, there is still limited knowledge on the relationships between the type of biomass and operational process parameters. This relates to the changes within the microbial community structure and the resulting overall biogas production efficiency. Opening this microbial black box could lead to an better understanding of on-going microbial processes, resulting in higher biogas yields and overall process efficiencies.
DOCUMENT
Dit rapport is onderdeel van het project 'Bokashi: naar een betere onderbouwing en documentatie voor de praktijk' en het resultaat van het onderzoek dat is uitgevoerd binnen Werkpakket 3: 'Economische Waarde'. In dit werkpakket zijn de duurzaamheidsaspecten (economisch, sociaal en ecologisch) van organische stromen en het verwerken tot bodemverbeteraars nader gekwantificeerd, waarbij wij ons richtten op bokashi (gefermenteerde organische reststromen) en compost. Om het onderzoek zoveel mogelijk aan te laten sluiten bij de praktijk is ervoor gekozen om een kosten-baten analyse uit te voeren aan de hand van een concrete casus met een concrete vraag: het regionaal recyclen van organische stromen van de Reinigingsdienst (RD) Maasland. RD Maasland heeft als ambitie om in de komende jaren de organische stromen op regionaal niveau te recyclen en daarmee bij te dragen aan vitalisering van de bodem door het verhogen van het gehalte organische stof. Daarvoor kan de dienst zich richten op het toepassen van compost of bokashi. In het onderzoek hebben we daarom de toepassingsmogelijkheden van compost en bokashi naast elkaar gezet. Het rapport begint met een algemene beschouwing van praktijkervaringen met bokashi als potentieel alternatief voor compostering. Vervolgens wordt aan de hand van de casus RD Maasland ingegaan op de huidige organische stromen en de bewerking daarvan in een deelgebied van RD Maasland en worden de kosten en baten doorgerekend van de huidige ketens ten opzichte van alternatieve ketens met regionale bewerking. Daarbij richten wij ons op bermmaaisel/ bladeren en de productie van compost en bokashi voor de verbetering van de bodemvitaliteit. Ter inspiratie volgt een beschrijving van regionale bewerking van stromen door een samenwerking van gemeentes en agrariërs in Friesland. Daarna volgt een concluderende paragraaf, waarin een mogelijk pad wordt geschetst voor de ontwikkeling van circulair terreinbeheer in het werkgebied van de reinigingsdienst Maasland gebaseerd op economische en andere duurzaamheidsaspecten. Het rapport sluit af met een reflectie op de opschalings- en toepassingsmogelijkheden elders in Nederland.
DOCUMENT
A bioaugmentation approach was used to enhance the performance of anaerobic digestion (AD) using cow manure (CM) as the substrate in a continuous system. To obtain the desirable microbial culture for bioaugmentation, a biochemical methane potential test (BMP) was used to evaluate three commonly used inocula namely (1) municipal solid waste (MSW), (2) wastewater treatment plant (WWTP), and (3) cow manure digester (CMMD) for their hydrolytic capacity. The highest lignocellulose removal (56% for cellulose and 50% for hemicellulose) and the most profusion of cellulolytic bacteria were obtained when CM was inoculated with CMMD. CMMD was thus used as the seed inoculum in a continuously operated reactor (Ra) with the fiber fraction of CM as the substrate to further enrich cellulolytic microbes. After 100 days (HRT: 30 days), the Bacteria fraction mainly contained Ruminofilibacter, norank_o_SBR1031, Treponema, Acetivibrio. Surprisingly, the Archaea fraction contained 97% ‘cellulolytic archaea’ norank_c_Bathyarchaeia (Phylum Bathyarchaeota). This enriched consortium was used in the bioaugmentation experiment. A positive effect of bioaugmentation was verified, with a substantial daily methane yield (DMY) enhancement (24.3%) obtained in the bioaugmented reactor (Rb) (179 mL CH4/gVS/d) than that of the control reactor (Rc) (144 mL CH4/gVS/d) (P < 0.05). Meanwhile, the effluent of Rb enjoyed an improved cellulose reduction (14.7%) than that of Rc, whereas the amount of hemicellulose remained similar in both reactors' effluent. When bioaugmentation stopped, its influence on the hydrolysis and methanogenesis sustained, reflected by an improved DMY (160 mL CH4/gVS/d) and lower cellulose content (53 mg/g TS) in Rb than those in Rc (DMY 144 mL/CH4/gVS/d and cellulose content 63 mg/g TS, respectively). The increased DMY of the continuous reactor seeded with a specifically enriched consortium able to degrade the fiber fraction in CM shows the feasibility of applying bioaugmentation in AD of CM.
LINK
Anaerobic digestion (AD) can play an important role in achieving renewable goals set within the Netherlands which strives for 40 PJ bio-energy in the year 2020. This research focusses on reaching this goal with locally available biomass waste flows (e.g. manures, grasses, harvest remains, municipal organic wastes). Therefore, the bio-energy yields, process efficiency and environmental sustainability are analyzed for five municipalities in the northern part Netherlands, using three utilization pathways: green gas production; combined heat and power; and waste management. Results indicate that the Dutch goal cannot be filled through the use of local biomass waste streams, which can only reach an average of 20 PJ. Furthermore renewable goals and environmental sustainability do not always align. Therefore, understanding of the absolute energy and environmental impact of biogas production pathways is required to help governments form proper policies, to promote an environmentally and social sustainable energy system.
DOCUMENT
The energy efficiency and sustainability of an anaerobic green gas production pathway was evaluated, taking into account five biomass feedstocks, optimization of the green gas production pathway, replacement of current waste management pathways by mitigation, and transport of the feedstocks. Sustainability is expressed by three main factors: efficiency in (Process) Energy Returned On Invested (P)EROI, carbon footprint in Global Warming Potential GWP(100), and environmental impact in EcoPoints. The green gas production pathway operates on a mass fraction of 50% feedstock with 50% manure. The sustainability of the analyzed feedstocks differs substantially, favoring biomass waste flows over, the specially cultivated energy crop, maize. The use of optimization, in the shape of internal energy production, green gas powered trucks, and mitigation can significantly improve the sustainability for all feedstocks, but favors waste materials. Results indicate a possible improvement from an average (P)EROI for all feedstocks of 2.3 up to an average of 7.0 GJ/GJ. The carbon footprint can potentially be reduced from an average of 40 down to 18 kgCO2eq/GJ. The environmental impact can potentially be reduced from an average of 5.6 down to 1.8 Pt/GJ. Internal energy production proved to be the most effective optimization. However, the use of optimization aforementioned will result in les green gas injected into the gas grid as it is partially consumed internally. Overall, the feedstock straw was the most energy efficient, where the feedstock harvest remains proved to be the most environmentally sustainable. Furthermore, transport distances of all feedstocks should not exceed 150 km or emissions and environmental impacts will surpass those of natural gas, used as a reference. Using green gas as a fuel can increase the acceptable transportation range to over 300 km. Within the context aforementioned and from an energy efficiency and sustainable point of view, the anaerobic digestion process should be utilized for processing locally available waste feedstocks with the added advantage of producing energy, which should first be used internally for powering the green gas production process.
DOCUMENT
