6
www.ijesci.org International  Journal of Energy Science (IJES) Volume 3 Issue 6, December 2013 doi: 10.14355/ijes.2013.0306.05 408 The Production  of Biogas Using Kitchen Waste Ravi P. Agrahari 1  , G. N. Tiwari 2  1,2 Centre for Energy Studies, IIT Delhi, Hauz khas, New Delhi, India110016 [email protected];  [email protected]   Abstract  Kitchen waste is the  best alternative for  biogas production in a community level  biogas plant. It is produced when  bacteria degrade organic matter in the absence of air. Biogas contains around 5565% of methane, 3040% of carbon dioxide. The calorific value of  biogas is appreciably high (around 4700 kcal or 20 MJ at around 55% methane content). The gas can effectively  be utilized for generation of power through a  biogas  based powergeneration system after dewatering and cleaning of the gas. In addition,  the slurry produced in the process provides valuable organic manure for farming and sustaining the soil fertility. In this paper, an attempt has  been made to test the performance of different ratio of kitchen waste in a metal made portable floating type  biogas plant of volume capacity 0.018 m 3  for outdoor climatic condition of New Delhi, India . Each of the  biogas plant 30 Kg slurry capacity in  batch system for all measurement. During these period, the temperature, solar radiation and relative humidity have  been measured. We have also analysed the constituent of  biogas, pH, volume and rate of  biogas production at different level of temperature observation on daily  basis. Here we also compare the rate of  biogas production from kitchen waste with the other energy sources used for cooking purposes like LPG, Kerosene and Coal. Keywords  Digester;  Slurry;  Kitchen Waste;  Batch System;  Organic  Manure Introduction Biogas is produced from organic wastes  by concerned action of various group of anaerobic  bacteria through anaerobic decomposition.  Anaerobic decomposition is a twostage process as specific  bacteria fed on certain organic materials.  In the first stage, acidic  bacteria dismantle the complex organic molecules into peptides, glycerol,  alcohol and the simpler sugars. When these compounds  have  been produced in sufficient quantities, a second type of  bacteria starts to convert these simpler compounds into methane.  These methane producing  bacteria are particularly influenced  by the ambient conditions,  which can slow or halt the process completely.  Globally,  the reduction of green house gas emissions particularly CO2 has  become more important. Currently much of the carbon dioxide emitted to the atmosphere is the result of anthropogenic  activities from the use of the fossil fuel in the transportation and energy sectors.  Significant emission reductions may  be achieved in the energy sector  by improving efficiency through the use of alternative fuels. Through the use of  biogas plant we can save the CO2 emission in the atmosphere.  The performance of a greenhouse integrated  biogas plant was analysed with their  basic aim to reduce thermal loss to ambient in harsh cold climates (Usmani   JA et al 1996). Due to the lower temperature,   biogas production decreases drastically and may stop. Thus, to enhance  biogas production,  a higher digester temperature than ambient temperature is required.  The green house concept should  be integrated for larger capacity  biogas plant (Lau AK et al 1987). It has  been suggested that the rate of  biogas production and the period to achieve the optimum temperature are function of the temperature of the slurry.  Also, for a required production rate of  biogas,  the period to achieve the optimum temperature should  be reduced (Tiwari GN et al 1988; Tiwari GN et al 1986). A heat exchanger connected to a flat plate collector has  been suggested for heating of the slurry (Tiwari GN et al 1992). Installation of PVC greenhouse type structure over a  biogas plant allow solar heating of the substrate from 18 °C to about 37 °C (Gupta RA et al 1988; Sodha MS et al 1987; Sodha MS et al 1989 and Tiwari GN et al 1997). Solar greenhouse assisted  biogas plant in hilly region recommended and it has come to conclusion that  biogasgreen house hybrid system may  be successful in hilly regions where average temperature remains  below 37°C throughout  the year (Vinoth KK et al 2008). It can also evaluate the carbon credits earned  by energy security in India and also analyse the return on capital for  biogas plants with and 

Production of BioGas Using Kitchen Waste

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Production of BioGas Using Kitchen Waste

8/10/2019 Production of BioGas Using Kitchen Waste

http://slidepdf.com/reader/full/production-of-biogas-using-kitchen-waste 1/6

www.ijesci.org  International  Journal of Energy Science (IJES) Volume 3 Issue 6, December 2013 

doi: 10.14355/ijes.2013.0306.05 

408 

The Production of Biogas Using Kitchen 

Waste Ravi P. Agrahari1 , G. N. Tiwari2 

1,2Centre for Energy Studies, IIT Delhi, 

Hauz khas, New Delhi, India‐110016 

[email protected][email protected] 

 Abstract  

Kitchen waste is the  best alternative for  biogas production in 

a  community  level   biogas  plant.  It  is  produced  when 

 bacteria degrade organic matter in the absence of air. Biogas 

contains  around  55‐65%  of  methane,  30‐40%  of  carbon 

dioxide.  The  calorific  value  of  biogas  is  appreciably  high (around 4700 kcal or 20 MJ at around 55% methane content). 

The gas  can  effectively  be utilized  for generation of power 

through  a   biogas   based  power‐generation  system  after 

dewatering  and  cleaning of  the gas.  In  addition,  the  slurry 

produced  in  the process provides valuable organic manure 

for farming and sustaining the soil fertility. In this paper, an 

attempt has  been made  to  test  the performance of different 

ratio of kitchen waste in a metal made portable floating type 

 biogas  plant  of  volume  capacity  0.018  m3  for  outdoor 

climatic condition of New Delhi,  India  . Each of  the  biogas 

plant  30  Kg  slurry  capacity  in   batch  system  for  all 

measurement. 

During  these  period,  the  temperature,  solar  radiation  and 

relative  humidity  have   been  measured.  We  have  also 

analysed  the constituent of  biogas, pH, volume and  rate of 

 biogas  production  at  different  level  of  temperature 

observation on daily  basis. Here we also compare the rate of 

 biogas production from kitchen waste with the other energy 

sources used  for cooking purposes  like LPG, Kerosene and 

Coal. 

Keywords 

Digester; Slurry; Kitchen Waste; Batch System; Organic  Manure 

Introduction

Biogas is produced from organic wastes  by concerned 

action of various group of anaerobic  bacteria  through 

anaerobic decomposition. Anaerobic decomposition  is 

a  two‐stage process as specific  bacteria  fed on certain 

organic  materials.  In  the  first  stage,  acidic   bacteria 

dismantle  the  complex  organic  molecules  into 

peptides,  glycerol,  alcohol  and  the  simpler  sugars. 

When  these  compounds  have   been  produced  in 

sufficient 

quantities, 

second 

type 

of 

 bacteria 

starts 

to 

convert these simpler compounds into methane. These 

methane  producing   bacteria  are  particularly 

influenced  by the ambient conditions, which can slow 

or halt the process completely. Globally, the reduction 

of  green  house  gas  emissions  particularly  CO2  has 

 become more important. Currently much of the carbon 

dioxide  emitted  to  the  atmosphere  is  the  result  of 

anthropogenic activities from the use of the fossil fuel in  the  transportation  and  energy  sectors.  Significant 

emission  reductions may  be  achieved  in  the  energy 

sector   by  improving  efficiency  through  the  use  of 

alternative  fuels. Through  the use of  biogas plant we 

can save the CO2 emission in the atmosphere. 

The  performance  of  a  greenhouse  integrated   biogas 

plant  was  analysed  with  their   basic  aim  to  reduce 

thermal loss to ambient in harsh cold climates (Usmani 

 JA  et  al  1996). Due  to  the  lower  temperature,  biogas 

production decreases drastically and may stop. Thus, 

to  enhance   biogas  production,  a  higher  digester 

temperature  than  ambient  temperature  is  required. 

The  green  house  concept  should   be  integrated  for 

larger capacity  biogas plant (Lau AK et al 1987). It has 

 been suggested that the rate of  biogas production and 

the  period  to  achieve  the  optimum  temperature  are 

function of  the  temperature of  the  slurry. Also,  for a 

required  production  rate  of   biogas,  the  period  to 

achieve  the optimum  temperature should  be reduced 

(Tiwari GN et al 1988; Tiwari GN et al 1986). A heat 

exchanger connected  to a  flat plate collector has  been 

suggested  for heating  of  the  slurry  (Tiwari GN  et  al 

1992).  Installation  of  PVC  greenhouse  type  structure 

over a  biogas plant allow solar heating of the substrate 

from 18 °C to about 37 °C (Gupta RA et al 1988; Sodha 

MS et al 1987; Sodha MS et al 1989 and Tiwari GN et al 

1997). Solar greenhouse assisted  biogas plant  in hilly 

region  recommended  and  it  has  come  to  conclusion 

that   biogas‐green  house  hybrid  system  may   be 

successful in hilly regions where average temperature 

remains  below 37°C  throughout  the year  (Vinoth KK 

et 

al 

2008). 

It 

can 

also 

evaluate 

the 

carbon 

credits 

earned  by  energy  security  in  India  and  also  analyse 

the  return  on  capital  for   biogas  plants  with  and 

Page 2: Production of BioGas Using Kitchen Waste

8/10/2019 Production of BioGas Using Kitchen Waste

http://slidepdf.com/reader/full/production-of-biogas-using-kitchen-waste 2/6

Page 3: Production of BioGas Using Kitchen Waste

8/10/2019 Production of BioGas Using Kitchen Waste

http://slidepdf.com/reader/full/production-of-biogas-using-kitchen-waste 3/6

www.ijesci.org  International  Journal of Energy Science (IJES) Volume 3 Issue 6, December 2013 

410 

temperature,  relative  humidity,  and  solar  intensity 

have   been  measured  during  this  experiment.  Gas 

production have  been  recorded on daily  basis  by  the 

observation  of  upliftment  height  of  dome.  This 

upliftment height is multiplied  by 2πr and the volume 

of   biogas  production  is  measured  every  day.  This  biogas  sample  has  been  taken  out with  the  help  of 

toddler  bags, which is safe to carry  biogas without any 

leakage and entry of atmospheric air, which has  been 

tested through gas chromatography. 

Methodology And Experimental Observation

Different  parameters  like  solar  intensity,  ambient 

temperature,  slurry  temperature  and  average 

humidity  are  measured  on  daily   basis.  These  data 

have  been taken at  the  interval of 4:00 hours  between 

9:00 am to 5:00 pm due to presence of solar radiation. 

Three  readings have  been  taken  in every day  at  9:00 

am, 1:00 pm and 5:00 pm. Here we use various ratio of 

kitchen  waste  with  water  composition.  Under  the 

analysis  we  have  calculated  the  average  of  solar 

intensity and relative humidity at these three different 

times  in a day until  the  biogas production  inside  the 

 biogas  chamber  stop.  In  this  manner  we  have  also 

calculated  the  average  ambient  temperature  and 

average slurry temperature to find the different result 

and  observation.  The  production  rate  and  methane 

fraction have also  been observed under  the  influence 

of  various  temperature  ranges  during  the 

experimental work in New Delhi, India. 

Result and Discussion

In  this observation, all  the research analysis has  been 

done  under   batch  system.  In  the   batch  system,  the 

slurry has  been added once  to  the digester  for whole 

duration of  the process. It has  been observed  that the 

production  of   biogas  is  dependent  upon  the 

temperature and the solar intensity of the atmosphere 

in aluminium made  biogas plant. In these all the data 

we got various analysis through various comparison. 

Comparison among  Various Ratio of  Kitchen Waste 

in  Aluminium  Made Biogas Plant  

Kitchen waste  can  be  useful  under  community  level 

 biogas  programme,  where  we  can  save  LPG  for 

cooking purposes. This analysis has  been done under 

30 days (1 month) observation  between September 23, 

2011  to  October  22,  2011  under  aluminium  made 

 biogas 

plant. 

In 

this 

observation, 

we 

have 

taken 

different  ratio of kitchen waste  and water with  fixed 

amount  of  inoculum.  Inoculum  is  the  anaerobically 

digested slurry and contains anaerobic  bacteria which 

are  responsible  for  biogas  production. These  kitchen 

waste  and water  are  in  the  ratio  of  1:3(Case‐ A),  1:2 

(Case‐ B),  1:1.4(Case‐ C)  and  1:1(Case‐ D) with  fixed 

amount of inoculums (Table 2). 

TABLE 2. : COMPARISON AMONG VARIOUS RATIO OF KITCHEN WASTE 

UNDER BIOGAS PRODUCTION 

Characters 

Case‐

A6 

kg(1:3

Case‐

B8 

kg(1:2) 

Case‐

C10 kg 

(1:1.4) 

Case‐

D12 

kg(1:1)

Amount of kitchen 

waste 6 kg  8 kg  10 kg  12 kg 

Water  18 lt  16 lt  14 lt  12 lt 

Inoculum  6 lt  6 lt  6 lt  6 lt 

Ratio of kitchen 

waste and water 1:3  1:2  1:1.4  1:1 

pH  7.3  7.4  7.7  7.9 

Total  biogas 

production (m3) 

0.2184

0.2581

57 0.12785  0.12168

Maximum 

methane fraction 42%  48%  44%  No 

Duration of 

methane fraction 

production in days

3‐11  3‐15  18‐22  No 

Number of days 

methane fraction 

present 

10  15  5  No 

FIG 3 : VARIATION OF AVERAGE SLURRY TEMPERATURE ON 

DAILY BASIS UNDER VARIOUS RATIO OF KITCHEN WASTE 

Solar radiation  is responsible for  increasing the slurry 

temperature  inside  the digester, which  influences  the 

rate of  biogas production. Average slurry temperature, 

 biogas production  (volume) and methane  fraction are 

measured  on  daily  basis  in  different  ratio  of  kitchen 

waste (Fig 3,4 and 5). By daily observation we got the 

 best result in case‐B of kitchen waste and water, where 

we have used 8 kg kitchen waste, 16 liter water and 6 

kg inoculum under  biogas production. In case‐ A and 

Case‐

we 

obtained 

the 

good 

result 

 but 

in 

the 

case 

of 

case‐ C  and  case‐ D  the  biogas  production was  not 

present. Even  in  the case of case‐ C the production of 

Page 4: Production of BioGas Using Kitchen Waste

8/10/2019 Production of BioGas Using Kitchen Waste

http://slidepdf.com/reader/full/production-of-biogas-using-kitchen-waste 4/6

International  Journal of Energy Science (IJES) Volume 3 Issue 6, December 2013  www.ijesci.org 

411 

 biogas  started  from 18th days. Because earlier  the pH 

value was comparatively higher, which was not  better 

for  the growth  and activity of  anaerobic  bacteria  but 

after  17  days  it   became  favorable  due  to  some 

microbial activity. In the case of case‐ D the pH value 

was  very  high  at  which  the   bacterial  activity  was arrested so  there was no production of  biogas  in  this 

ratio. 

FIGURE 4. : VOLUME OF BIOGAS PRODUCTION IN RESPECT OF 

NUMBER OF DAYS UNDER VARIOUS RATIO OF KITCHEN 

WASTE 

FIG 5. : MEASUREMENT OF METHANE FRACTION ON DAILY 

BASIS UNDER VARIOUS RATIO OF KITCHEN WASTE 

The synthesis of gas has  been started from the first day 

of the slurry feeding inside the  biogas chamber under 

case‐ A and case‐ B  but we obtained methane fraction 

from third day. Kitchen waste is rapidly disintegrated 

 by microorganism  so  the  production  of  biogas  stops 

after 11th day and 12th days  in the case of case‐ A and 

case‐ B. The amount of  biogas production  is 0.218461 

and  0.258157  m3  under  case‐ A  and  case‐ B.  The 

retention period of  biogas production  is maximum 15 

days in the case of kitchen waste. We have seen a  best 

utilization 

of 

kitchen 

waste 

from 

ARTI 

 biogas 

plant, 

Erandwana,  Pune,  Maharashtra  (India)  under 

continuous  feeding,  used  for  cooking  purposes  in 

place of LPG (Table 3). 

TABLE 3 : BIOGAS PRODUCTION FROM KITCHEN WASTE IN ARTI BIOGAS 

PLANT IN TWO DIFFERENT SIZES 

Characters Bigger size biogas 

plant 

Smaller size biogas 

plant 

Size  1 m3 digester  0.5 m3 digester 

Capacity 

upto 2 kg kitchen 

waste 

upto 1 kg kitchen 

waste 

Quantity of 

gas 

produced 

upto 1 kg  biogas, 

capable of replacing 

250 gm of LPG. 

upto 0.5 kg  biogas, 

capable of replacing 

100 gm of LPG. 

Uses under 

cooking 

purposes 

either  breakfast or 

one meal can  be 

cooked entirely on 

 biogas. 

about 15‐20 min of 

cooking (tea, snakes, 

etc.) can  be done. 

Source: ARTI  biogas plant, Flat No. 6, Ekta park Co‐op Hsg. Soc., 

Behind Nirmitee Showroom, Law College Road, Erandwana, Pune, 

Maharashtra (India)‐ 411004 

Production of  Energy (Heat, Light, Electricity) 

The calorific value of  biogas is about 6 kWh/ m3. which 

is  equal  to  about  half  a  liter  of  diesel  oil.  The  net 

calorific value of fuel also depends on the efficiency of 

the   burners  or  appliances.  Methane  is  the  main 

important component under the aspect of using  biogas 

as  a  fuel.  The  use  of   biogas  can  replace  various 

conventional  fuel  like  kerosene  or  firewood  and 

protect  the environment. Biogas  is  the  best  substitute 

of firewood in rural households. The  biogas generated 

from  small  and medium  sized  units  (up  to  6 m3)  is 

generally  used  for  cooking  and  lighting  purposes.  If 

we  use  a  8  kg  (1:2  ratio)  [case‐ B]  kitchen waste  for 

 biogas  production, we  can  save  various  fuel  sources 

which  can   be  used  as  alternatives.  Total   biogas 

production  from  8  kg  (1:2  ratio)  kitchen  waste  of 

volume  capacity  0.018 m3  biogas  plant was  0.258157 

m3  during  whole  retention  period.  The  amount  of 

other 

fuel 

sources 

which 

we 

can 

save 

 by 

the 

use 

of 

kg (1:2 ratio)[case‐B] kitchen waste in respect of ICAR 

data (Table 4). 

Women  spend  2‐4  hours  per  day  in  searching  and 

carrying the firewood. Once a  biogas is installed, they 

will have much extra time for herself and her children. 

This will help in improving their quality. They will get 

more  time  for  education  and  interesting  activities 

outside  the home. Biogas plants  also  improve health 

conditions  in  the homes. The  annual  time  saving  for 

firewood  collection  and  cooking  average  to  almost 

1000 hours  in each household provided with a  biogas 

plant. 

Page 5: Production of BioGas Using Kitchen Waste

8/10/2019 Production of BioGas Using Kitchen Waste

http://slidepdf.com/reader/full/production-of-biogas-using-kitchen-waste 5/6

Page 6: Production of BioGas Using Kitchen Waste

8/10/2019 Production of BioGas Using Kitchen Waste

http://slidepdf.com/reader/full/production-of-biogas-using-kitchen-waste 6/6

International  Journal of Energy Science (IJES) Volume 3 Issue 6, December 2013  www.ijesci.org 

413 

Solar  assisted   biogas  plants  IV  A:  Experimental 

validation of  a numerical model  for  slurry  temperature 

in  a  glazed  fixed‐dome   biogas  plant.  International 

 Journal Energy Research 1989; 13: 621‐625. 

Steinfeld H, Gerber P, Wasenaar T, Castel V, Rosales M, de 

Haan C. Livestock’s  long shadow. Environmental  issues 

and options. Food  and Agriculture Organisation  (FAO) 

of United Nations 2006. 

Tiwari GN, Sharma SB and Gupta SP. Transient performance 

of  a  horizontal  floating  gas  holder  type   biogas  plant. 

Energy Conservation and Management 1988; 28(3): 235‐

239. 

Tiwari GN, Chandra A. Solar assisted  biogas system: a new 

approach. 

Energy 

Conversion 

and 

Management 

1986; 

26(2): 147‐150. 

Tiwari GN, Singh  SK and Thakur K. Design  criteria  for an 

active  biogas plant. Energy 1992; 17(10): 955‐958. 

Tiwari GN, Dubey AK and Goyal RK. Analytical study of an 

active winter greenhouse. Energy 1997; 22(4): 389‐392. 

Usmani   JA,  Tiwari  GN  and  Chandra  A.  Performance 

Characteristic  of  greenhouse  integrated  biogas  system. 

Energy Conservation and Management 1996; 37(9): 1423‐

1433. 

Vinoth  KK,  Kasturi  BR.  Solar  greenhouse  assisted   biogas 

plant  in hilly region – A  field study. Solar Energy 2008; 

82: 911‐917. 

Wu CZ, Yin XL, Yuan ZQ, Zhnag XS. The development of 

 bioenergy  technology  in  China.  Energy  2009;  35  (11): 

4445‐4450. 

WinrockInternational, Nepal Biogas Support Program (BSP) 

Nepal,  Clean  Development  Mechanism  Simplified 

Project  Design  Document  for  Small‐Scale  Project 

Activities (SSC‐CDM‐PDD) version 02, 1‐56 

Zhou  CX,  Lin  RR.  To  develop  rural   biogas  and   build 

ecological healthy homeland. Ecology and Environment 

2004; 13 (3): 459‐460. 

Ravi P. Agrahari MSc.,  is  research  scholar  in 

Centre  for  Energy  Studies,  IIT  Delhi,  New 

Delhi,  India.  Mr.  Agrahari  was   born  on 

December  2,  1981  at  Gorakhpur  (U.P.)  in 

India. Mr. Agrahari completed his Masters  in 

 botany  in  2002  from  the  Deen  Dayal 

Upadhyay  Gorakhpur  University,  Gorakhpur,  UP,  India. 

Then he cleared CSIR‐ JRF exam in  june 2008 and  joined as a 

Research  Scholar with  Prof.  G. N.  Tiwari  and  Prof. M.  S. 

Sodha,  Centre  for  Energy  Studies,  IIT  Delhi,  Hauz  khas, 

New  Delhi,  India.  Mr.  Agrahari  also  works  as  an 

independent  consultant  in  Bag  Energy  Research  Society, 

Varanasi,  UP,  India  in  the  fields  mof  environment, 

renewable  and  sustainable  energy.  His  fields  of  interests 

include  environment  and  development,  socio  economic 

impact assessment, sustainable energy and  biogas issues. 

Dr. Gopal Nath  Tiwari was  born  on  July  1, 

1951 at Adarsh Nagar, Sagarpali, Ballia  (U.P.) 

in India. He has completed his M.Sc. (Physics) 

and  Ph.D  in  1972  and  1976  from  Banaras 

Hindu University, Varanasi (U.P.), India. He is 

recipient  of   JRF,  SRF  and  PDF  from  CSIR, 

Govt.  of  India  during  1972‐1978. He  joined  as  a  Research 

Associate  at  I.I.T.  Delhi,  New  Delhi  in  1978.  He  holds  a 

position of Professor at Centre of Energy Studies, I.I.T. Delhi, 

New Delhi since 1997. He was energy expert in University of 

Papua New Gunea, Port Morshy, PNG during 1987‐89. Dr. 

Tiwari was visiting European Fellow at University of Ulster, 

Northern  Ireland  (UK) during  1993  for  six months. He has 

visited many  other  countries  namely  Canada,  USA,  Italy, 

Australia for short terms as an energy expert. He is recipient of National Hari Om Ashram Prerit S.S. Bhatnagar Award in 

1982  for  his  seminal  contribution  in  the  field  of  solar 

distillation. Dr. Tiwari has published to his credit more than 

four  hundred  research  papers  in  different  National  and 

International  Journals and author of eight text and reference 

 books on solar energy, greenhouse, passive heating/cooling, 

Renewable Energy Resources etc. He has  been nominated for 

International IDEA Award  for his work on solar distillation 

in 1992. 

Dr. Tiwari has supervised more than sixty Ph.D students in 

various  research  areas  of  interest.  His  current  areas  of 

research  interest  are  Solar  Energy  and  its  applications  in solar  distillation,  passive  heating/cooling  of   building, 

controlled  environment  greenhouse,  aquaculture, water/air 

heating  system,  crop  production  and  drying,  renewable 

energy  resources,  energy  analysis  of  all  systems,  techno‐

economic  analysis,  hybrid  PV/thermal  systems,  clean 

environment and rural energy etc.